ECOLE ET OBSERVATOIRE DES SCIENCES DE LA TERRE Centre de Géochimie de la Surface UMR

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ECOLE ET OBSERVATOIRE DES SCIENCES DE LA TERRE Centre de Géochimie de la Surface (UMR 7517) THESE présentée pour l'obtention du titre de Docteur de l'Université Louis Pasteur de Strasbourg Discipline : Sciences de la Terre et de l'Univers Mention : Géochimie – Minéralogie par Armelle BALDEYROU – BAILLY ETUDE EXPERIMENTALE ET MODELISATION DE LA STABILITE DES PHYLLOSILICATES SOUMIS A UN FORT GRADIENT THERMIQUE. Test dans le contexte du site géothermique de Soultz-sous-Forêts. Soutenue publiquement le 03 Juillet 2003 devant la Commission d'Examen : MM. M. CATHELINEAU RAPPORTEUR EXTERNE B. FRITZ DIRECTEUR DE THÈSE A. GÉRARD EXAMINATEUR B. GOFFÉ RAPPORTEUR EXTERNE J. HONNOREZ RAPPORTEUR INTERNE O. VIDAL DIRECTEUR DE THÈSE

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Publié le : mardi 1 juillet 2003
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Source : scd-theses.u-strasbg.fr
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ECOLE ET OBSERVATOIRE DES SCIENCES DE LA TERRE
Centre de Géochimie de la Surface (UMR 7517)

THESE

présentée pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Université Louis Pasteur de Strasbourg
Discipline : Sciences de la Terre et de l’Univers
Mention : Géochimie – Minéralogie

par
Armelle BALDEYROU – BAILLY

ETUDE EXPERIMENTALE ET MODELISATION DE LA
STABILITE DES PHYLLOSILICATES
SOUMIS A UN FORT GRADIENT THERMIQUE.
Test dans le contexte du site géothermique de
Soultz-sous-Forêts.


Soutenue publiquement le 03 Juillet 2003 devant la Commission d’Examen :

MM. M. CATHELINEAU R APPORTEUR EXTERNE
B. FRITZ D IRECTEUR DE THÈSE
A. GÉRARD E XAMINATEUR
B. GOFFÉ R APPORTEUR EXTERNE
J. HONNOREZ INTERNE
O. VIDAL D IRECTEUR DE THÈSE
AVANT - PROPOS

Lorsque enfin on peut se pencher sur cette pile de papier toute chaude sortie de
l’imprimante et que l’on peut se dire « Mais … serait-ce fini ? », avec un mélange de
soulagement et de nostalgie ; il vient forcément à l’esprit que le point final mis au
manuscrit de thèse représente surtout la fin d’une époque, et les 296 pages plusieurs
années de vie scientifique et personnelle. Alors on se dit bien naturellement que
dans ces pages, il y a beaucoup de ces autres qui ont participés à ces années, et
qu’il pourrait y avoir beaucoup plus d’auteurs à ce travail que le seul nom inscrit en
page de garde.
Tout d’abord il y a ceux qui ont porté l’idée de lancer cette thèse expérimentale,
avec tous les dangers que cela suppose et tous les impondérables inhérents à
l’expérience. Ce sont mes directeurs de thèse, Bertrand Fritz au laboratoire de
Strasbourg, et Olivier Vidal au laboratoire de Grenoble. Sans eux quoi qu’il arrive
cette thèse n’aurait jamais vu le jour et je les remercie de leur soutien, à la fois
matériel, scientifique, et parfois même psychologique, parce que une thèse ce n’est
finalement pas un long fleuve tranquille !
Je tiens également à remercier l’ensemble des membres du Jury qui ont déployé
des trésors de disponibilité devant le peu de temps qui leur a été accordé pour lire et
commenter ce manuscrit. Merci donc à Messieurs Michel Cathelineau, Bruno Goffé,
José Honnorez et André Gérard pour cette lecture plus rapide que l’éclair et pour les
précieuses remarques et conseils dispensés à l’occasion de la soutenance.
Comme tout travail de longue haleine, cette thèse a elle aussi une histoire. Elle a
commencé il y a de nombreuses années lors d’un stage étudiant de recherche au
sein du laboratoire de pétrologie de l’ENS. Et là j’ai eu la chance d’être plongée dans
le laboratoire expérimental. Depuis je n’ai pas imaginé commencer un travail de
recherche sans autoclaves archi-brûlants, air comprimé qui « explose », tubes en or
qui fuient et clé dynamométrique d’un mètre de long – que c’est seyant ! Je remercie
donc Bruno Goffé et Olivier Vidal de m’avoir permis de m’immerger dès la maîtrise
dans ce laboratoire, et je remercie en particulier Bruno de m’avoir accueilli dans ce
même labo pour effectuer mes expériences de thèse après mon départ pour
Strasbourg.
Et puis une fois les manips faites, il a bien fallu les ouvrir… et là il faut avouer que
sans l’aide précieuse de Bruno Lanson et de Nicolas Geoffroy, l’entreprise aurait été
très compliquée. La détermination de ces toutes petites phases n’aurait sans doute
jamais été complète sans eux, qui m’ont ouvert leur labo de diffraction et surtout leur
connaissance des structures diverses des phyllosilicates. J’ai également bénéficié
des conseils de Teddy Parra pour effectuer ces déterminations, je l’en remercie.
Dans cette phase de “mais qu’est ce que c’est que ce truc qui a cristallisé??” de
nombreuses personnes ont été sollicitées pour tenter de répondre avec moi à cette
question, et parmi eux tout particulièrement je tiens à remercier Gilles Morvan pour
sa persévérance et son calme lors des mesures au MET, Philippe Karcher pour son
ingéniosité pour faire passer mes échantillons « pas normaux » au MEB, et Nicole
Catel pour sa conception exceptionnelle de gels de silicates.
Je tiens à remercier par ailleurs Peter Stille et François Gauthier-Lafaye pour leur
accueil dans ce bureau bien plus lumineux que le précédent, ainsi que pour les
« bonsoir » et « bonne nuit » compatissants durant les semaines de rédaction….
Cette rédaction qui doit aussi beaucoup à Nathalie Peybernes, sans qui je
pataugerais peut-être encore dans les concepts de mise en page de Word.
Dans les derniers jours de rédaction sont arrivés les infatigables et merveilleux
relecteurs, et j’envoie ma reconnaissance éternelle (si si !!) à tous ces non-géologues
qui ont lu avec attention, intérêt et critique les 300 pages d’un domaine qui ne les
passionnait pas forcément…. Merci donc à Yannick Dappe, Sébastien Bailly, Jean-
Luc et Véronique Gomez qui y ont quand même sacrifié leur week-end !
Pendant cette intense période de rédaction, j’ai été désolée de ne pouvoir
consacrer autant de temps que j’en avais l’habitude aux étudiants de la prépa agreg,
et j’avoue les avoir laissé un peu se débrouiller seuls avec le concours en fin
d’année. Je les remercie infiniment pour leur compréhension et leur soutien, qui est
allé jusqu’à venir à la soutenance entre deux leçons à Paris !
Merci également à tous ceux qui ont contribué à l’ambiance studieuse mais
festive (si si c’est compatible..), en particulier les thésards : Anne Désirée,
Christophe, Laurence, Stéphane, Sophie, Céline, Diane, Delphine et Jean Philippe.
Il reste bien sûr à rendre hommage à ceux qui n’ont fait que me trouver des
distractions pendant la sévère rédaction : merci donc à Dom (how many funnies ?) et
à Davy.
Et merci merci merci Fabrice pour avoir fait du soutien psychologique constant
depuis le DEA et, franchement, ce fut un grand bonheur de rédiger et de soutenir
ensemble…. L’alliance du Cassiopée vaincra !!











Je dédie cette thèse à Sébastien,
Géologue d’esprit,
Mélomane d’âme,
Mari de cœur ;
Pour avoir supporté ces années de science
Et avoir quand même dit oui au final…



SOMMAIRE
SOMMAIRE..............................................................................................1
INTRODUCTION ...........................................................................................3
PARTIE I: MINÉRALOGIE DES PHYLLOSILICATES......................................................... 9
CHAPITRE 1 : TALC et PYROPHYLLITE ; KAOLINITE et SERPENTINE. ......................13
CHAPITRE 2 : LES MICAS ET LES CHLORITES ............................................................17
CHAPITRE 3 : LES ARGILES ...........................................................................................29
PARTIE II: ETUDE EXPÉRIMENTALE DES TRANSITIONS DE PHASE DES PHYLLOSILICATES
SOUS GRADIENT DE TEMPÉRATURE ............................................................................35
CHAPITRE 4 : PROTOCOLE EXPERIMENTAL ET TECHNIQUES ANALYTIQUES DES
EXPERIENCES SOUS GRADIENT DE TEMPERATURE ................................................37
CHAPITRE 5 : RESULTATS DANS LE SYSTEME Si-Al-Mg-H O ....................................49 2
CHAPITRE 6 : RESULTATS DANS ME Si-Al-K-H O.......................................93 2
CHAPITRE 7 : RESULTATS DANS LE SYSTEME Si-Al-Mg-K-H O...............................137 2
CHAPITRE 8 : LA STABILITE THERMIQUE RELATIVE DES PHYLLOSILICATES ......153
PARTIE III: APPLICATION DE LA MÉTHODE SOUS GRADIENT THERMIQUE AU SITE HFR DE
SOULTZ-SOUS-FORÊTS............................................................................................189
CHAPITRE 9 : LE SITE DE GEOTHERMIE ROCHE CHAUDE FRACTUREE (RCF) DE
SOULTZ-SOUS-FORÊTS ...............................................................................................191
CHAPITRE 10 : ETUDE EXPERIMENTALE DE LA DYNAMIQUE MINERALOGIQUE D’UN
SYSTEME EN DESEQUILIBRE GLOBAL.......................................................................201
CONCLUSIONS GÉNÉRALES .....................................................................239
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES............................................................245
ANNEXES ...............................................................................................253
LISTE DES FIGURES ................................................................................253
LISTE DES TABLEAUX..............................................................................289
TABLE DES MATIÈRES.............................................................................291

1INTRODUCTION

INTRODUCTION

Les phyllosilicates : des minéraux abondants et utiles
Les phyllosilicates sont des minéraux extrêmement abondants à la surface de la
terre. Constituants principaux des sols, ils sont présents dans toutes les zones
climatiques favorisant l’altération des minéraux primaires et le développement de sols.
Ces minéraux se rencontrent essentiellement dans des formations superficielles,
issues notamment de l’altération des roches ignées par exemple. Souvent très
hydratés, beaucoup de phyllosilicates sont déstabilisés lors de l’enfouissement
diagénétique : l’augmentation de la température les déshydrate et provoque la
cristallisation de minéraux plus stables (Cojan et Renard, 1997).
Ces minéraux, abondants et très facilement accessibles, ont été de tous temps des
matériaux privilégiés. Les argiles en particulier, phyllosilicates hydratés se présentant
sous de très petites tailles (< 2 µm), ont été utilisées de façon très précoce dans
l’histoire de l’homme, par exemple par les céramistes. L’utilisation de ces matériaux a
toujours été importante et a évolué au cours du temps jusqu’à aujourd’hui : ils sont
engagés dans de multiples applications, soit comme constituants entrant directement
dans la composition des matériaux (polymères, liants, céramiques, papiers), soit
comme éléments de procédés (supports de catalyse, rupteurs d’émulsions, agents
séparatifs, Besson et al., 1990b).
Ces phyllosilicates sont actuellement très étudiés dans les domaines de stockage
de déchets nucléaires et de la recherche pétrolière. Dans le cas du stockage des
déchets nucléaires, l’intérêt se porte sur les argiles capables d’absorber des cations
provenant de la solution aqueuse (Millot, 1963 ; Brindley, 1980 ; Inoue, 1984 ;
Newman, 1987 ; Fletcher et Sposito, 1989), et notamment des radionucléides. Cette
propriété est extrêmement intéressante pour l’utilisation de ces phases comme
constituant d’une barrière naturelle. D’autre part les réactions intervenant entre les
différents phyllosilicates marquent les différentes étapes de l’enfouissement, de
l’évolution de la température, et du temps de résidence lors de la diagénèse précoce
(Perry et Hower, 1970 ; Hower et al., 1976 ; Pearson et Small, 1988). Pour cette
raison, les transformations de phases entre phyllosilicates ont servi à l’élaboration de
différents géothermomètres (Pytte et Reynolds, 1989 ; Pollastro, 1989 ; Velde et
3INTRODUCTION

Vasseur, 1992, Huang et al., 1993), sources d’information sur l’histoire thermique de la
roche sédimentaire et largement utilisés dans le domaine de l’exploitation pétrolière
(Horton, 1985 ; Pollastro, 1993 ; Price et McDowell, 1993).
Ces minéraux ont ainsi toujours été très étudiés par l’homme; notamment du point
de vue de leur structure et de leur thermodynamique.
La thermodynamique des phyllosilicates : diversité des conceptions
actuelles
Il existe un grand nombre de modèles thermodynamiques disponibles pour les
phyllosilicates. Ces modèles sont tous contraints par des expériences de solubilité
(Rouston et Kittrick, 1971 ; Reesman, 1974 ; Kittrick, 1984 ; Sass et al. 1987, Aja et
al., 1991a ; 1991b). En effet il n’existe pas d’expériences d‘encadrement de l’équilibre
pour les phyllosilicates.
Les expériences de dissolution permettent d’atteindre les constantes de solubilité
(Ks) des phyllosilicates donc leur énergie libre de formation (Aagaard et Helgeson,
1982 ; 1983 ; Aja et al., 1991a ; 1991b, Madé, 1991). Il existe des problèmes
techniques liés à ces expériences : d’une part ces expériences se font dans des
solutions salées ; d’autre part il peut y avoir des phases métastables non détectables
qui tamponnent la composition de la solution. Ainsi Essene et Peacor (1995)
soulignent que ces méthodes pour calculer l’enthalpie libre de formation fournissent,
pour la plupart des minéraux argileux, un résultat avec une incertitude qui est souvent
de l’ordre de grandeur de l’enthalpie libre de réaction. Ces auteurs révèlent même que
la plupart des études expérimentales portant sur la stabilité des minéraux argileux ont
été conduites de manière telle que l’équilibre thermodynamique ne peut avoir été
atteint. Hormis ces problèmes techniques, une propriété particulière des argiles est
leur très grande variabilité chimique. Pour avoir des données thermodynamiques pour
chaque phyllosilicate, il faudrait faire autant de mesures de solubilité qu’il existe de
compositions chimiques différentes dans la nature, ce qui n’est bien sûr pas réalisable.
Il existe donc aussi des problèmes d’application au domaine naturel des données
thermodynamiques ainsi obtenues.
C’est pour ces raisons que nous développons ici une représentation des
phyllosilicates en termes de solution solide entre des pôles prédéfinis. Ainsi chaque
composition chimique d’un phyllosilicate est écrite comme la combinaison linéaire de
plusieurs pôles purs. Un modèle thermodynamique peut être mis en place en se
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