Projet ANR-11-BS56-0009 – SOUMET : Rôle du soufre dans le devenir des métaux d'intérêt économique dans les fluides géologiques
Programme : Blanc - SIMI 5-6 - Environnement, Terre et Espace (Blanc SIMI 5-6)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Gleb POKROVSKI (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE MIDI-PYRENEES)
Partenaires : Géologie et Gestion des Ressources Minérales et Énergétiques; Géosciences Environnement Toulouse; Institut Neel; École normale supérieure de Paris
Montant : 511838.0 euros
Date de début : 2011
Durée : 48 mois
Résumé : Soufre et métaux dans les fluides géologiques: comment se forment les gisements métallifères ?Une grande partie des ressources économiques des métaux de base et stratégies sur Terre (e.g., Cu, Zn, Mo, Au, Pt, Sn) est formée par des fluides aqueux riches en sel, CO2 et soufre et qui circulent sous des hautes températures et pressions dans les profondeurs de notre planète. Bien que le soufre soit un constituant majeur de ces fluides, son impact sur la mobilisation, la distribution et la précipitation des métaux n’est pas encore bien compris et quantifié dans ces milieux.
Comment étudier les fluides géologiques, chauds et sous pression, porteurs de soufre et de métaux dans les entrailles de notre planète et qui ne sont pas accessibles à l’observation directe ?Le but ultime de ce projet est de quantifier l’impact du soufre sur les transferts des métaux d’intérêt économique par les fluides géologiques. Ceci sera achevé en adressant les quatre objectifs suivants: 1) Obtenir de nouvelles données sur les teneurs, le partage et les formes chimiques (spéciation) de certains métaux (Au, Cu, Mo, Pt) et du soufre dans des systèmes modèles eau-sel-CO2-soufre en laboratoire en conditions contrôlées, à l’aide de techniques expérimentales, analytiques et de spectroscopie in situ ;2) Etudier la chimie du soufre lui-même dans ces systèmes en mettant en œuvre, pour la première fois, de méthodes de spectroscopie in situ à haute température et pression ;3) Accéder à la structure moléculaire et aux propriétés physico-chimiques des majeurs solvants naturels (eau-CO2-sel) en couplant mesures spectroscopiques avec modélisations de chimie moléculaire ;4) Développer des outils analytiques originaux pour caractériser la composition et l’évolution des fluides naturels porteurs d’or et de métaux associés, en s’appuyant sur les avancées technologiques récentes dans la conception de lasers, la spectrométrie de masse à torche plasma, les sources synchrotron.
Approche multidisciplinaire associant méthodes expérimentales et analytiques de pointe avec modélisations physico-chimiques et études de cas naturels de gisements de métaux.Grâce aux progrès de méthodes expérimentales et analytiques in situ pour l’étude des fluides HT, aux améliorations dans la conception des sources lasers et rayons X sur synchrotron et aux développements des approches moléculaires pour les phases fluides et vapeurs aux températures élevées, il devient désormais possible de déterminer la solubilité et la spéciation chimique des métaux et du soufre dans les systèmes multi phases ‘vapeur-saumure-minéraux-silicates liquides’, omniprésents dans la croûte terrestre, et d’établir des modèles prédictifs du transfert des métaux dans les conditions que les fluides métallifères rencontrent lors de leur migration depuis la chambre magmatique jusqu’au cratère du volcan. Dans ce projet, nous utilisons une approche multidisciplinaire associant a) mesures de solubilité/partage pour Au, Pt et métaux associés (Cu, Ag, Zn, Fe, Sn, Mo), b) études spectroscopiques in situ de l'environnement atomique de ces métaux et du soufre dans les fluides et vapeurs dans des systèmes modèles H2O-CO2-sel-soufre pertinents des milieux naturels sous des conditions redox, d’acidité et de fugacité du soufre contrôlées, c) modélisation thermodynamique et moléculaire des solvants hydrothermaux, interactions soluté-solvant et solubilités de minéraux, et d) développements analytiques et méthodologiques pour caractériser les fluides naturels soufrés à partir d’inclusions fluides de gisements typiques aurifères.
Résumé de la soumission : Le but de ce projet est de mettre en œuvre de nouvelles approches expérimentales, analytiques et théoriques afin de quantifier et modéliser l’impact géologique du soufre sur le comportement des métaux d’intérêt économique et technologique dans les fluides géologiques aux températures et pressions correspondants à la formation de gisements métallifères d’or et de métaux associés (Cu, Ag, Zn, Pt, Mo, Sn), depuis le stade magmatique jusqu’aux dépôts épithermaux. Bien que le soufre soit un constituant important des fluides crustaux, son impact sur leur mobilisation, distribution et précipitation n’est pas encore réellement quantifié dans la majorité des contextes hydrothermaux-magmatiques naturels. Ceci est dû à i) un manque criant de données sur la spéciation du soufre et la stabilité des complexes que forment les métaux avec les différents ligands soufrés en phase fluide, vapeur et liquide silicaté à haute température et pression (T-P), ii) l’imperfection des modèles physico-chimiques actuels pour prédire la solubilité et le partage des métaux et du soufre dans les systèmes multi phases ‘vapeur-fluide-liquide silicaté’, et iii) l’insuffisance de données analytiques sur l’occurrence du soufre sous ses différentes valences dans les paléo fluides métallifères dans une large gamme de T-P. Jusqu’à présent ces lacunes ont empêché la compréhension des processus clés responsables de la formation des gisements de nombre de métaux de haute valeur technologique et l’identification des sources de métaux et fluides impliqués dans la genèse des gisements économiques.Grâce aux progrès de méthodes expérimentales et analytiques in situ pour l’étude des fluides HT, aux améliorations dans la conception des sources lasers et rayons X sur synchrotron et aux développements des approches moléculaires pour les phases fluides et vapeurs aux températures élevées, il devient désormais possible de déterminer la solubilité et la spéciation chimique des métaux et du soufre dans les systèmes multi phases ‘vapeur-saumure-minéraux-silicates liquides’, omniprésents dans la croûte terrestre, et d’établir des modèles prédictifs du transfert des métaux dans les conditions que les fluides métallifères rencontrent lors de leur migration depuis la chambre magmatique jusqu’aux dépôts épithermaux de métaux précieux. Dans ce projet, nous utiliserons une approche multidisciplinaire associant a) mesures de solubilité/partage pour Au, Pt et métaux associés (Cu, Ag, Zn, Fe, Sn, Mo) et b) études spectroscopiques in situ de l'environnement atomique de ces métaux et du soufre dans les fluides et vapeurs dans des systèmes modèles H2O-CO2-sel-soufre pertinents des milieux naturels sous des conditions redox, d’acidité et de fugacité du soufre contrôlées avec c) modélisation thermodynamique et moléculaire des solvants hydrothermaux, interactions soluté-solvant et solubilités de minéraux et d) développements analytiques et méthodologiques pour caractériser les fluides naturels soufrés à partir d’inclusions fluides de gisements typiques aurifères porphyriques et épithermaux. Les résultats obtenus permettront de quantifier, pour la première fois, les relations métaux-soufre dans les systèmes naturels de haute T-P à l’échelle moléculaire et géologique. Ce projet implique 4 équipes françaises expertes en géochimie expérimentale, méthodes synchrotron, modélisation thermodynamique et moléculaire, microanalyse in situ et métallogénie. Ce consortium unique permettra de créer, pour la première fois, un noyau français de spécialistes travaillant à l'interface "géochimie - métallogénie - chimie - physique" et ainsi contribuer à la renaissance de la Métallogénie en France pour mieux faire face à la crise mondiale des ressources minérales.
Résultats : A ce stage du projet, on ne peut parler que de résultats envisagés:
Les résultats obtenus permettront de quantifier, pour la première fois, les relations métaux-soufre dans les systèmes naturels de haute T-P à l’échelle moléculaire et géologique. Ce projet implique 4 équipes françaises expertes en géochimie expérimentale, méthodes synchrotron, modélisation thermodynamique et moléculaire, microanalyse in situ et métallogénie. Les retombées directes de ce projet sont les suivantes :
1) acquisition de nouvelles données fondamentales expérimentales et théoriques sur le soufre et les métaux dans les fluides géologiques ; 2) développement de nouveaux outils analytiques et expérimentaux pour le soufres et les métaux ; 3) quantification des capacités des fluides à mobiliser et transporter les métaux et des processus responsables des dépôts économiques des métaux.
Perspectives : Ce projet, réunissant pour la première fois des approches et méthodes issues de domaines scientifiques ayant jusqu’à présent très peu d’interactions entre eux, va créer un noyau français d’équipes à l'interface «géochimie - métallogénie - chimie - physique« et ainsi contribuer à la renaissance de la Métallogénie en France pour mieux faire face à la crise mondiale des ressources minérales. 
En outre, certaines applications de cette recherche pourront aller bien au-delà de la Métallogénie dans les domaines suivants: 
- grands cycles géochimiques des métaux de du soufre
- fractionnement des isotopes stables du soufre et des métaux
- stockage géologique du CO2
- traitement des minerais
- synthèse hydrothermale de nouveaux matériaux
Publications et brevets : Kouzmanov K. and Pokrovski G.S. (2012) Hydrothermal controls on metal distribution in porphyry systems. Society of Economic Geologists Special Publication (accepted pending moderate revisions). 
Cet article de revue dresse l’état des lieux de notre connaissance des processus hydrothermaux responsables de la formation des gisements de type porphyre de Au-Cu-Mo et la spéciation de ces métaux et du soufre dans les fluides de haute température. Il représente une bonne start-up pour le projet car il identifie des lacunes dans les données et modèles actuelles de formation de tels gisements qui devraient être comblées à l’issu de notre programme. 
Pokrovski G.S., Roux J., Jonchiere R. Ferlat G., Seitsonen A., Vuilleumier R., Hazemann JL. (2012) Silver in saline hydrothermal fluids: insights from in-situ X-ray absorption spectroscopy and first-principles molecular dynamics (submitted to Geochimica et Cosmochimica Acta 06/2012). Cet article est le premier fruit de la synergie d’approches de géochimie expérimentale, spectroscopie in situ, modélisation thermodynamique et moléculaire et métallogénie des équipes partenaires, appliquées aux fluides-porteurs d’argent. Il met en œuvre un ensemble de méthodes complémentaires qui seront utilisées pour l’étude d’autres métaux et systèmes eau-sel-soufre durant ce projet.