Réaction eau de mer - manteau : formation de la serpentine - ifremer

Réaction eau de mer - manteau : formation de la serpentine
Mathilde Cannat, Sergey Silantiev
Coupe de Serpentine
© Ifremer / Serpentine 2007 / Mathilde Cannat
Le manteau terrestre représente environ 70% de la masse du Globe. Il s'étend sur 2900 kilomètres entre la croûte et le noyau terrestre. Sur les premiers 400 kilomètres,
il est constitué d'un assemblage de minéraux dominé par l'olivine, également appelée péridot. Cet assemblage de minéraux est appelé péridotite.
L'olivine est constituée d'un réseau d'atomes de silice et d'oxygène (c'est ce qu'on appelle un silicate), sur lequel s'organisent des atomes de magnésium et, en un peu
moindre quantité, de fer. Sa formule est (Mg,Fe) 2
SiO 4
. Les péridotites contiennent aussi en proportions moindres d'autres silicates de fer-magnésium appelés pyroxènes,
et des oxydes riches en chrome et en aluminium, les spinelles.
La croûte des océans est mince (6 kilomètres ou moins) et se forme à l'axe des dorsales lorsque les deux plaques s'écartent. Dans les océans dits "à faible taux
d'expansion", c'est à dire ceux dont le taux d'ouverture est inférieur à 3 ou 4 cm/an, l'écartement des plaques s'accompagne de la formation de grandes failles d'extension
qui découpent la croûte et font remonter les niveaux les plus superficiels du manteau (figure ci-dessous).
© Mathilde Cannat CNRS / IPGP
Figure 1 : schéma d'une dorsale lente montrant les grandes failles extensives qui forment les murs de la vallée axiale et font remonter les niveaux les plus superficiels du
manteau. Ces niveaux superficiels sont appelés "manteau lithosphérique", car les péridotites y sont relativement froides (moins de 1000°C) et rigides. En dessous, on
trouve le manteau dit "asthénosphérique" où les péridotites sont plus chaudes et plus ductiles.
Dans certaines régions de l'Atlantique, ces failles ont un rejeu (c'est à dire un décalage) tel, qu'elles amènent des péridotites jusqu'au plancher océanique.
Lorsque l'eau de mer qui pénètre dans la croûte atteint des péridotites, elle réagit avec l'olivine et avec les pyroxènes pour former de la serpentine. C'est le processus de
serpentinisation. Lorsque la péridotite est complètement serpentinisée, on appelle la roche une serpentinite.
La serpentine est un silicate magnésien riche en eau, dont la formule est : Mg 3
Si 2
O 5
(OH) 4
. La serpentine peut également contenir du fer, mais en quantités très faibles. Le
fer contenu dans les olivines et les pyroxènes est donc libéré au cours de la serpentinisation et est utilisé pour former des minéraux dits accessoires comme la magnétite (un
oxyde de formule Fe 3
O 4
). On peut également former de la brucite, un oxyde hydraté de formule Mg(OH) 2
), qui peut contenir du fer en remplacement partiel du
magnésium. La formation de magnétite à partir du fer en excès consomme de l'oxygène à partir de l'eau et s'accompagne donc d'un dégagement d'hydrogène. Il existe de
nombreuses réactions de serpentinisation possibles.
Une réaction type est représentée ci-dessous.
Figure 2 : réaction de serpentinisation conduisant à la formation de serpentine, de petites quantités de brucite et de magnétite, avec un dégagement d'hydrogène. La
couleur vive des minéraux dans la péridotite n'est pas réelle, elle est due à l'observation au microscope sous lumière polarisée. La serpentine a une texture caractéristique
appelée "en nids d'abeille". Les deux vues au microscope ont une largeur d'environ 0,2 millimètres.
La serpentinisation s'accompagne d'un dégagement de chaleur : c'est une réaction exothermique. La chaleur dégagée par la serpentinisation complète de 1 kilo de
péridotite est de 250 Joules, de quoi élever la température d'un litre d'eau d'environ 50 degrés dans des conditions de température et de pression ordinaires.

Figure 2 : réaction de serpentinisation conduisant à la formation de serpentine, de petites quantités de brucite et de magnétite, avec un dégagement d'hydrogène. La
couleur vive des minéraux dans la péridotite n'est pas réelle, elle est due à l'observation au microscope sous lumière polarisée. La serpentine a une texture caractéristique
appelée "en nids d'abeille". Les deux vues au microscope ont une largeur d'environ 0,2 millimètres.
La serpentinisation s'accompagne d'un dégagement de chaleur : c'est une réaction exothermique. La chaleur dégagée par la serpentinisation complète de 1 kilo de
péridotite est de 250 Joules, de quoi élever la température d'un litre d'eau d'environ 50 degrés dans des conditions de température et de pression ordinaires.
La serpentinisation s'accompagne également d'un changement des propriétés physiques de la roche. Le volume de la roche augmente, jusqu'à 30%, avec une
diminution associée de la densité. En effet, la serpentine est un minéral beaucoup moins dense que l'olivine et les pyroxènes. Une péridotite non serpentinisée a une densité
d'environ 3300 kg/m3. Une serpentinite a une densité d'environ 2600 kg/m3.
Parallèlement, la vitesse de propagation des ondes sismiques diminue au cours de la serpentinisation : de près de 8 km/s dans les péridotites non serpentinisées, à
environ 5.5 km/s dans les serpentinites. La formation de magnétite au cours de la serpentinisation s'accompagne d'une forte augmentation de la susceptibilité
magnétique de la roche, c'est à dire de sa capacité à s'aimanter. Enfin, la serpentine est moins résistante à la déformation que l'olivine ou les pyroxènes. 15 ou 20% de
serpentine dans une péridotite suffisent ainsi à diminuer la résistance de la roche à la déformation, et peuvent en particulier faciliter le mouvement sur les failles.
Actions menées pendant la campagne Serpentine
Nous allons explorer des sources hydrothermales installées sur des péridotites serpentinisées aux sites d'Ashadze et de Logachev. Ces péridotites ont été remontées
depuis le manteau par les failles bordières de la vallée axiale.
Nous rechercherons les produits de réactions de serpentinisation, et en particulier l'hydrogène, dans les fluides hydrothermaux de ces deux sites. Nous étudierons aussi,
une fois rentrés à terre, la chimie des minéraux dans les échantillons de péridotite serpentinisée, et chercherons à déterminer les réactions de serpentinisation, les conditions
de température auxquelles elles ont eu lieu, et la chimie du fluide hydraté avant et après ces réactions. Nous mesurerons aussi la densité et les propriétés magnétiques des
échantillons et analyserons leur déformation.