Devenir des éléments métalliques en milieu hydrothermal profond : partition dissou-particulaire effective et spéciation dans le mélange fluide hydrothermal-eau de mer précoce

Quarante ans après la découverte de la circulation hydrothermale profonde, les processus chimiques se produisant dans le mélange entre le fluide hydrothermal et l’eau de mer restent mal contraints. Ce travail de thèse, dont l’originalité repose sur l’utilisation systématique de la filtration in situ, présente le partitionnement effectif des éléments métalliques majeurs (principalement Fe, Cu, Zn, Ba et Ca) entre les phases dissoutes (< 0,45 μm) et particulaire (> 0,45 μm) dans le mélange précoceintermédiaire de plusieurs fumeurs du champ hydrothermal Lucky Strike (37°N, MAR). Le comportement et la spéciation du Cu dans la fraction dissoute sont ensuite explorés plus en détail par le biais de compétitions de ligands et de mesures voltamétriques. Nos résultats démontrent en premier lieu l’importance de la filtration in situ pour s’affranchir des biais induits par le prolongement des réactions de précipitation ou de redissolution pouvant se produire lors de la remontée des échantillons. L’examen des fluides collectés à différentes reprises et sur une large panoplie de fumeurs (240 échantillons), démontre une variabilité spatiale des signatures chimiques le long de l'axe est-ouest du champ hydrothermal. Parmi les métaux étudiés, Fe, Ca et Ba sont principalement mesurés sous forme dissoute tandis que Cu et Zn sont majoritairement particulaires. Dans le mélange initital (50‒150°C, dMn > 50 μM), le pool de particules est dominé par de la sphalérite (ou wurtzite) et de la chalcopyrite, avec généralement moins de pyrite. Dans cette zone, les changements chimiques semblent cinétiquement limités et les fluides échantillonnés présentent une signature chimique proche de celle du fluide pur. Cependant, à mesure que le fluide hydrothermal se mélange à l'eau de mer (4‒50°C, dMn < 50 μm), le partitionnement de certains métaux alcalins et alcalinoterreux (Ca, Ba, Mg et Sr) entre les deux phases est profondément affecté par la précipitation de sulfates. Contrairement aux prédictions thermodynamiques, la précipitation d’anhydrite, de barite et potentiellement de caminite est observée dans la partie relativement froide du mélange (450°C). L’augmentation importante du pH dans cette zone conduit également à l’initiation de la précipitation d’oxydes de Fe. Enfin, dans la phase dissoute, les ligands du Cu semblent être principalement des sulfures inorganiques issus du fluide hydrothermal.
Mots-clés: Hydrothermal, fumeurs noirs, fumeurs translucides, mélange précoce, métaux, dissous, particulaire, spéciation du Cu