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Monitoring isotopique des fluides crustaux

Thèse de doctorat - date limite de candidature pour l’instant : 15 juin 2019 (POSTE POURVU)

Projet de thèse : Traçage isotopique continu du transfert des fluides crustaux vers la surface, en relation avec les aléas naturels (sismiques /volcaniques) ou anthropiques.

Projet scientifique : Les systèmes isotopiques des gaz rares légers, et notamment ceux de l’hélium et du néon (3He/4He et 4He/20Ne), varient de plusieurs ordres de grandeur entre les réservoirs atmosphérique, crustaux et mantelliques. Ils sont donc, à ce titre, les traceurs isotopiques les plus performants des mélanges entre ces différents réservoirs au sein des magmas et des fluides crustaux qui les transportent vers les environnements superficiels. Ils ont logiquement été utilisés depuis plusieurs dizaines d’années pour retracer l’histoire et les mélanges entre fluides crustaux, que ce soit pour (i) les systèmes aquifères, ou (ii) les systèmes hydrothermaux naturels associés aux volcans, aux zones sismogéniques, et aux sites géothermiques. Ils ont aussi été utilisés comme traceurs potentiels dans le cas de transferts superficiels induits par l’exploitation anthropiques du sous-sol, notamment pour les études pilotes de stockage de CO2. Ces éléments on en outre la particularité d’être conservatifs lors de ces transferts, grâce aux propriétés de leur dernière couche électronique saturée. Leur transport diffusif ou convectif à travers la croûte est donc moins sensible aux réactions eau/roche qui par des processus de précipitation ou dissolution peuvent affecter le bilan des autres traceurs géochimiques souvent utilisés (i.e. éléments majeurs et isotopes de H, C, O, S). Ce couplage/découplage potentiel entre le signal des gaz rares légers et celui des autres traceurs représente un outil très intéressant pour étudier et mettre en évidence certains de ces processus liés au transfert des fluides dans la croûte. Malgré ces potentialités, l’utilisation de ces traceurs a été limitée à une description de premier ordre de ces systèmes, car ces mesures isotopiques précises ne peuvent être réalisées sur place et nécessitent d’être effectuées en laboratoire avec des spectromètres de masse. Cet aspect particulier a représenté au cours des dernières décennies une limitation certaine des mesures géochimiques (en général) par rapport aux mesures géophysiques pour décrire les systèmes naturels et leur dynamique, notamment à court terme quand leur équilibre est perturbé par des évènements discrets. La description géochimique des systèmes a donc pendant longtemps été basée sur des campagnes d’échantillonnage discrètes, avec un pas de temps plus ou moins régulier et rapproché. Une surveillance précise d’un système pour permettre de capturer des évènements éventuels à l’échelle de quelques mois ou quelques jours nécessite des moyens humains pour l’échantillonnage souvent difficiles à mettre en place. Ce constat est entrain de changer avec la miniaturisation des techniques de mesures des compositions élémentaires et même isotopiques (isotopes stables de C, O, H avec les mesures par spectroscopie infrarouge), qui de plus en plus peuvent être déployées sur des sites pilotes pour réaliser des enregistrement en continu. L’innovation technologique dans ces domaines avance à grand pas, et il n’est pas irréaliste d’imaginer que tous les systèmes élémentaires et isotopiques (y compris les gaz rares) pourront à terme être mesurés sur des appareils compatibles avec un déploiement in situ.

Cependant, notre connaissance actuelle du fonctionnement de ces systèmes sur ces échelles de temps reste très parcellaire et doit être améliorée avant toute approche future de surveillance continue. Ceci notamment pour mettre en évidence et comprendre les processus qui gouvernent les variations de ces systèmes à l’équilibre sous l’effet de perturbations naturelles (i.e. les aléas sismiques et volcaniques) ou anthropiques (i.e. l’exploitation du soussol).

En anticipation des futures améliorations analytiques, cette approche passe donc actuellement par le développement de techniques d’échantillonnage en continu qui vont permettre d’appréhender la dynamique de transfert des fluides crustaux avec une résolution identique à celle de la géophysique. Ce projet est basé sur ce constat et propose (i) d’améliorer une technique d’échantillonnage continu des fluides crustaux, et (ii) de la mettre en place sur quelques sites choisis pour comprendre les processus qui régissent les transferts aux échelles de temps courtes, notamment dans le cadre d’aléas naturels naturels pour les populations (séismes, éruptions volcaniques), ainsi que pour les perturbations potentielles que pourraient entrainer l’exploitation du sous sol par des méthodes non-conventionnelles. Le laboratoire de gaz rares du CRPG, qui mène une activité depuis de nombreuses années dans ce domaine de la géochimie des fluides crustaux, a lancé un projet d’observation à moyen et long terme de plusieurs de ces systèmes en utilisant les variations fines de la géochimie isotopique des gaz rares en collaboration avec l’INGV (Palerme, Italie). Il s’agit de pouvoir mettre en évidence l’implication des différents processus d’échanges des fluides au sein de la croûte avec une résolution temporelle encore non atteinte. Puisqu’il n’est pas possible d’instrumenter les sites avec des spectromètres de masse encore trop volumineux, l’approche consistera à échantillonner en continu en utilisant le système de prélèvement automatique SPARTAH (Barry et al., 2009). Trois de ces systèmes ont été construits au CRPG/INGV pour être à terme : (i) disposés sur des zones naturelles spécifiques et (ii) servir de banc d’essai en laboratoire pour améliorer la technique de prélèvement, conservation , et extraction pour des mesures extensives. Les premiers résultats expérimentaux au laboratoire sont encourageant et démontrent que le système pourra être utilisé sur des périodes de déploiement de 6 mois, sans altérer le message chimique continu.

Le projet de thèse sera focalisé sur la mise en place de cette approche : (i) d’un point de vue méthodologique, et (ii) d’un point de vue conceptuel avec la validation sur des exemples naturels. Les enjeux scientifiques directs concernent les échanges et transferts de fluides dans les systèmes de sub-surface, à une échelle de temps courte, encore très peu mise en oeuvre. De telles informations sont primordiales pour raffiner notre compréhension des processus naturels en jeu dans les zones volcaniques et sismogéniques, et ceci notamment aux échelles de temps compatibles avec le déroulement des aléas et leurs prévisions potentielles (i.e. contrôle des mélanges de fluides et des interactions eau/roche par la distribution et l’augmentation des contraintes, ou détection de l’apport de magma frais dans les chambres magmatiques avant de potentielles éruptions). Pour ceci le projet sera développé en collaboration directe avec l’équipe de l’INGV à Palerme (Istituto Nazionale di Geofisica e Volcanologia - cotutelle Universita di Palermo). Ce projet s’inscrit dans le projet Impact de Lorraine Université d’Excellence (LUE) "DeepSurf", avec pour objectif de mettre au point, et de tester, les potentialités du monitoring continu des fluides crustaux avec la signature isotopique des gaz rares légers. Il s’agira de valider une méthode capable d’être appliquée à la surveillance des perturbations potentielles engendrées lors de l’exploitation anthropique du sous-sol, et de leur transfert vers la surface. Une telle approche pourrait ainsi être mise en place sur de futurs sites pilotes en région Lorraine.

Concrètement, il s’agira dans un premier temps de terminer la mise au point de la méthode d’échantillonnage en continu avec une série de tests en laboratoire (diffusion et préservation du signal, procédure rapide de mesure, etc …). Il sera important dans le projet de considérer les possibilités méthodologiques pour croiser ces informations issues de la géochimie isotopique des gaz rares avec les autres traceurs géochimiques élémentaires et isotopiques plus courants, qui sont de plus en plus directement installés sur les sites pilotes instrumentés (comme par exemple dans les Apennins avec le site pilote de l’INGV). Plusieurs sites d’intérêt seront instrumentés sur les zones volcaniques et sismo-tectoniques d’Italie, de l’île de la Réunion et d’Islande. Ces régions très actives ont en effet le double intérêt de (i) représenter des zones où l’amélioration du suivi et de la prévision des aléas est primordiale, et aussi (ii) de mener potentiellement à des changements de composition des fluides crustaux rapides et de grande ampleur. Ceci représentera une configuration idéale pour tester l’approche autant méthodologiquement que conceptuellement.

Profil des candidats potentiels : Les candidats potentiels à cette thèse devront posséder de solides bases en géochimie, et préférentiellement en géochimie des gaz rares. Le ou la doctorante aura à développer et améliorer les conditions analytiques au laboratoire ou sur site, ainsi qu’à produire un nombre substantiel d’analyses isotopiques sur les spectromètres de masse gaz rares. Une affinité particulière pour un tel travail analytique de laboratoire est donc fondamentale dans les qualités et motivations des candidats

Mise en oeuvre du projet : Il s’agira d’un financement de thèse de Lorraine Université d’Excellence (LUE) de trois ans, avec un début prévu au 1er octobre 2019. Ce projet s’inscrit au sein du projet DeepSurf (projet Impact de LUE : http://lue.univlorraine. fr/fr/impact-deepsurf), et sera conduit sur les laboratoires de Gaz Rares du CRPG Nancy (http://www.crpg.cnrs-nancy.fr/index.php) et INVG-Palermo (https://www.pa.ingv.it/), en collaboration avec GeoRessources pour la partie instrumentation de site en Lorraine.

L’encadrement direct de la thèse sera réalisé par : Raphaël Pik (DR-CNRS au CRPG Nancy) et Antonio Caracausi (CR à l’INGV-Palermo). Collaborations : Bernard Marty (CRPG, Pr. Univ. Lorraine) et Laurent Zimmermann (CRPG, IE - CNRS), Andrea di Muro (IPGP, Observatoire de la Réunuion), Alasdair Skelton (Pr. Stockholm Univ.), Jacques Pironon (Dr. CNRS, GeoRessources).

Contact (procédure de candidature non encore établie)
Raphaël Pik : raphael.pik@univ-lorraine.fr




publié lundi 13 mai 2019