Inclusion fluide

Des inclusions fluides sont présentes dans la plupart des cristaux naturels, car la plupart des roches et des minéraux, y compris les minerais et même les échantillons lunaires et météoritiques, se sont formés à partir d'un fluide ou ont baigné dans un fluide lors d'une fracturation et d'une cicatrisation ultérieures. Très peu sont visibles à l'œil nu, et généralement le nombre de spécimens dans un minéral donné augmente avec la diminution de la taille. Dans la plupart des cas, les inclusions de taille < 10 μm sont d'un ou deux ordres de grandeur plus abondantes que celles de taille > 10 μm. Dans de nombreux échantillons, elles abondent excessivement au point d'en changer la couleur. Les minéraux blancs ordinaires tels que le quartz commun ou la calcite doivent cette couleur à la réfraction optique sur les nombreuses interfaces minéral-fluide des inclusions — il n'est pas rare d'en trouver jusqu'à 109 /cm⁻³. Parmi les cristaux de minéraux durs qui sont relativement épargnés par les inclusions et les autres défauts, on trouve les pierres précieuses, et moins il y a d'inclusions, plus elles le sont[2].

Les substances piégées se révèlent être dans la plupart des cas un mélange homogène, comme de la saumure ou une solution aqueuse, ayant dissous des sels et des gaz. Les ions dissous les plus courants sont le sodium et le chlore, avec une teneur moyenne de 20 à 30 % en poids de NaCl. Du calcium, du magnésium, du potassium, du soufre et du fluor s'y trouvent généralement à de plus faibles teneurs (à peu de 1 000 ppm). Parmi les gaz les plus courants séquestrés dans les inclusions, on relève le dioxyde de carbone, mais également l'azote et le méthane[3]. D'autres éléments s'y trouvent en quantité moindre : le lithium, l'aluminium, le bore, le polonium, le silicate d'hydrogène (HSiO₃^-1), le bicarbonate (HCO₃^-1), le ion carbonate (CO₃^-2), et de nombreux autres ions[4].

Les minéraux hydrothermaux, provenant généralement de solutions aqueuses à haute température, emprisonnent de minuscules bulles de liquides ou de gaz lors du refroidissement et de la formation de la roche solide. Le fluide piégé constitue un archivage de la composition, de la température et de la pression de l'environnement de minéralisation[1]. Une inclusion fluide contient parfois deux phases thermodynamiques voire plus. Si une bulle de vapeur est présente dans l'inclusion avec une phase liquide, un simple chauffage jusqu'à sa résorption donne la température probable du fluide d'origine. La présence éventuelle de minuscules cristaux d'halite, de sylvite, d'hématite ou de sulfures dans l'inclusion, fournit quant à elle des indices directs sur la composition originelle du fluide.

Décrépitaton à 400°C d'une inclusion fluide analysée par microscopie électronique à balayage (SEM) et spectroscopie à rayons X à dispersion d'énergie (EDS)

Photomicrographies de Pea Ridge dans le Missouri d'inclusions fluides secondaires dans l'apatite (image A) et le quartz (images B–H).

Les inclusions fluides, dont la composition dépend du processus de minéralisation, peuvent fournir de ce fait des informations utiles dans l'exploration minérale. L'étude de ces fluides pour en identifier les gisements minéraux passe par le comptage quantitatif et fréquentatif d'un type d'inclusion donné, l'examen des variations des températures des inclusions lors des changements de phase lors du chauffage et du refroidissement en laboratoire[5], et les variations d'autres propriétés telles que le comportement de décrépitation, et la chimie des inclusions[1]. L'observation et le comptage des occurrences sur des coupes fines d'échantillons sont utilisés pour identifier les types d'inclusion spécifiques. Si une abondance d'inclusions fluides similaires se trouvent à proximité géographique, on peut conclure que les types de roches environnantes sont apparentées, voire identiques[5]. Les propriétés microthermométriques (changements de température lors des changements de phase) sont utilisées pour caractériser et catégoriser les zones qui ont connu une activité thermique lors de la formation minérale[5].

L'étude des inclusions fluides ont permis d'identifier des gisements de pétrole et de gaz. Les coupes de forage, les carottes et/ou les matériaux d'affleurement sont préservés pour leurs fluides de porosité, et la chimie du fluide est analysée avec la stratigraphie d'inclusion fluide (ou FIS). La lecture spectrométrique des espèces volatiles d'une inclusion fluide, lors d'une analyse FIS, indique la présence de gisement de gaz naturel ou de pétrole à proximité[6]. Toutefois, l'abondance d'inclusions fluides similaires peut aussi être attribuée à la migration et à l'accumulation d'hydrocarbures, de sorte que d'autres techniques sont nécessaires pour confirmer la présence du gisement de pétrole après la détection initiale des inclusions fluides correspondantes.

Au cours des dernières années, la recherche sur les inclusions fluides a été mise à contribution pour comprendre le rôle des fluides dans la croûte profonde et l'interface croûte-manteau. Les inclusions fluides piégées dans les roches du faciès de la granulite ont fourni des indices importants sur la pétrogenèse de ces roches sèches en raison de la grande quantité de fluides riches en CO₂ provenant de sources sublithosphériques[7]. Des inclusions riches en dioxyde de carbone ont également été enregistrées dans un certain nombre de terranes de faciès de granulite à ultra haute température, suggérant l'implication de ce gaz dans le métamorphisme extrême de la croûte[7]. Certaines études du XXI^e siècle explorent la possibilité du CO₂ dérivé de réactions de décarbonatation sub-solidus au cours d'un métamorphisme extrême a contribué à la déglaciation de la Terre boule de neige[7].

Les inclusions fluides piégées dans les veines et les minéraux servent dans les recherches pour découvrir l'historique de déformation dans les ceintures orogéniques[8]. Comme les activités fluides sont considérablement plus importantes dans les zones de cisaillement d'une ceinture orogénique, la présence des inclusions fluides dans une zone de cisaillement a également été utilisée pour investiguer sur les activités sismiques au cours de l'évolution de la zone de cisaillement[9]. Dans les ceintures orogéniques, les tremblements de terre sont parfois attribués à une activité fluide en profondeur. Ce rôle lors des tremblements de terre dans de nombreuses zones de cisaillement était connu de façon indirecte par des preuves géophysiques. Elles ont été corroborées par des preuves géologiques[9].

Cette bulle d'air vieille de 84 millions d'années est emprisonnée dans de l'ambre (sève d'arbre fossilisée). À l'aide d'un spectromètre de masse quadripolaire, les scientifiques peuvent découvrir à quoi ressemblait l'atmosphère lorsque les dinosaures parcouraient la Terre. Source : USGS

Les bulles d'air et d'eau piégées dans l'ambre fossile font l'objet d'analyses pour fournir des indications directes des conditions climatiques existant au moment de la formation de la résine ou de la sève des arbres. Elles fournissent une archive chimique de la composition de l'atmosphère remontant à 140 millions d'années. Les données indiquent que le taux en oxygène de l'atmosphère a atteint un pic de près de 35 % au cours de la période du Crétacé, puis a chuté à des niveaux proches de ceux de maintenant au début du Paléogène, anciennement début du Tertiaire. Cette chute abrupte correspond ou suit de près l'événement d'extinction du Crétacé-Paléogène et peut être le résultat d'un impact majeur de météorite qui a formé le cratère de Chicxulub.

Dans les études paléocéanographiques, les échantillons de fluides venant des inclusions peuvent renseigner sur la composition chimique de l'eau de mer à une période donnée. L'eau de mer séquestrée dans les sédiments s'évapore, laissant derrière elle sa teneur en sel. La profondeur à laquelle se trouvent ces évaporites et la composition du sel piégé sont des paramètres permettant aux océanographes de reconstituer l'évolution de l'eau de mer[10]. Les bulles d'air piégées en profondeur dans les calottes glaciaires peuvent également être analysées et renseigner sur les conditions climatiques du passé.

(en) Edwin Roedder, « Composition of Fluid Inclusions », dans Data of Geochemistry, vol. JJ, GEOLOGICAL SURVEY PROFESSIONAL PAPER, 1972, 6^e éd., 163 p. (lire en ligne [PDF]), JJ1