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Fumeurs noirs et gisements de minerai terrestres
20 février 2009

Formation d'un fumeur noir = a) Dorsale océanique

Formation d'un fumeur noir

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a) Dorsale océanique et hydrothermalisme : définition

Pour comprendre comment se forme un fumeur noir, il faut tout d'abord comprendre ce qu'est une dorsale océanique.
Un dorsale océanique, aussi appelée ride médio-océanique, est une 'frontière' entre les plaques divergentes du globe terrestre.
C'est à ce niveau que se forme la nouvelle croûte océanique (par émission de laves qui se durciront une fois sorties de la croûte 'ancienne'). Un des processus majeurs existant au niveau des dorsales océaniques est l'hydrothermalisme : c'est une circulation d'eau à l'intérieur de la croûte océanique, qui se poursuit dans le manteau supérieur, et remonte finalement hors de la croûte océanique : dans l'eau des grands fonds marins.

b) Les fumeurs noirs : une application de l'hydrothermalisme sur les dorsales océaniques

On associe à l'hydrothermalisme l'existence de sources hydrothermales. On distingue ces sources hydrothermales en plusieurs catégories :
• les émissions diffuses, qui sont des suintements d'eau et de gaz dissous dont la température varie de 3 à 50°C. Les métaux et sulfures y sont présents en très faibles concentrations.
• les fumeurs blancs (ou fumeurs gris) : ce sont des sources hydrothermales en cheminée, qui rejettent du sulfate de calcium à des températures variant entre 200 et 300°C.
• les fumeurs noirs, qui sont le type de source qui va nous intéresser au cours de ce travail : eux aussi ont une structure en cheminée, mais rejettent des sulfures métalliques, et ce à des températures comprises entre 300 et 400°C.

Nous savons que les fumeurs noirs sont dus à l'activité hydrothermale existant au niveau des dorsales océaniques. S'ils doivent leur naissance à une circulation d'eau à l'intérieur de la croûte, on peut se poser la question suivante : comment cette circulation d'eau s'effectue-t-elle ? (voir poster représentant un fumeur noir)

Les mouvements des plaques tectoniques provoqués par l’extension et l’accrétion ( formation de nouvelle croûte océanique au niveau de dorsale au fond des océans ) de la dorsale océanique génèrent des anfractuosités, c’est-à-dire de petites failles, par lesquels l’eau de mer s’infiltre et peut ainsi pénétrer dans la profondeur de la croûte océanique; l'eau s’échauffe à proximité du magma: à l'intérieur de la croûte, on atteint des pressions et des températures extrêmement élevées, ce qui permet la dissolution des minéraux présents dans les roches de la croûte océanique. La solution obtenue est donc très chaude, chargée en sulfures métalliques (qui proviennent des roches), et très acide. Le fluide hydrothermal (mélange d'eau mi vapeur mi liquide et des minéraux), en raison de sa densité faible, et des pressions importantes, remonte à une vitesse considérable hors de la croûte océanique.
Se produit alors une réaction de précipitation due à un changement brusque de température et de pH du milieu: l'eau de mer est en effet légèrement basique, quasi neutre, et à une température avoisinant les 3°C. Les métaux transportés par ce fluide hydrothermal sont le fer, le manganèse, le zinc, le cuivre, le calcium, le silicium, le baryum.
Voici l'exemple de quelques réactions de précipitation qui se produisent à cet instant:

Fe²+ + S²- ----> FeS
Zn²+ + S²- ----> ZnS ______________________ etc...
Des sulfures métalliques retombent en pluie autour de la source (endroit par lequel sort le fluide), ce qui crée, au fil du temps, une cheminée au pied de laquelle ces sulfures viennent se poser. On a l'apparition d'un fumeur noir:

Fumeur_noir

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Afin de matérialiser la réaction qui a lieu à la sortie du fluide hydrothermal (cette sortie est appelée "bouche" du fumeur noir), nous avons cherché à faire précipiter une solution acide, chaude et chargée en sulfures de fer, dans une solution basique et froide. En raison des conditions du milieu difficiles à reproduire (température allant jusqu'à 400°C, pression importante), nous nous sommes vus contraints d'augmenter le pH de la solution qui aurait représenté le milieu aquatique. Malheureusement, les sulfures sont presques insolubles à terre (ils se dissolvent à des températures et pressions très élevées), et, malgré nos précautions, l'expérience a échoué.
Nous avons donc choisi d'utiliser une autre espèce, plus soluble, et qui précipite d'une manière comparable au sulfure de fer: le carbonate de calcium. La variation de température que nous étions capables de créer était si faible que nous l'avons jugée négligeable dans la réalisation de notre expérience. Nous nous sommes donc focalisés sur l'influence du pH sur la précipitation de l'espèce.
On peut comparer cette réaction à celle que nous avons tenté de recréer auparavant, car elles sont semblables sur plusieurs points:
_ première expérience
: Fe²+ + S²- ----> FeS
_ seconde expérience: Ca²+  + CO3²-   ----> CaCO3
Fe²+ et Ca²+ sont deux ions de même charge et tous deux sont issus de métaux.
- et CO3²- sont deux anions de même charge; tous deux sont aussi deux bases comparables, puisqu'ils peuvent capter deux ions H+.
Il existe une différence entre Fe²+ et Ca²+ : Fe²+ est issu d'un métal de transition, alors que Ca²+ est issu d'un métal alcalino-terreux.

PROTOCOLE DE L'EXPERIENCE

Matériel
_ agitateur magnétique
_ pHmètre
_ sonde pHmétrique
_ solution étalon (pH=4)
_ solution d'acide sulfurique concentrée
_ solution de soude concentrée
_ eau distillée
_ carbonate de calcium
_ bécher 150 mL
_ balance

Réalisation de l'expérience
Dans un bécher de 150 mL, on verse de l'eau à température ambiante (20°C, pH=7).
On verse ensuite dans le bécher 1 gramme de carbonate de calcium, cet échantillon prélevé auparavant avec l'aide de la balance. La solution est saturée: le carbonate de calcium n'est pas entièrement dissout.

On ajoute ensuite goutte à goutte de l'acide sulfurique dans le bécher (pH=2): le carbonate de calcium est au final complètement dissout. Ce résultat est comparable à ce qui se produit à l'intérieur de la croûte océanique (évidemment, de façon beaucoup plus simplifiée).

On réalise l'expérience dans l'autre sens: on ajoute à la solution acide de la soude, afin de faire augmenter le pH de la solution. Le carbonate de calcium précipite. Cette situation est comparable à la réaction qui se produit à la bouche du fumeur noir.
Equation de la réaction : Ca²+  + CO3²-   ----> CaCO3

_--(Le pHmètre, la sonde pHmétrique, la solution étalon nous ont permis de déterminer le pH de nos solutions.

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