Les zones de subduction (ex : ceinture de feu du pacifique, Java, …) constituent un site géodynamique clé pour le fonctionnement interne et externe de la Terre. Les plaques lithosphériques océaniques, chargées en fluide (5% d’eau) retournent dans le manteau. L’augmentation de la pression et de la température induit des transformations dites ‘métamorphiques’, dont la déshydratation des minéraux hydratés (serpentine, chlorite…), qui se traduisent par un apport d’eau conséquent dans un coin mantellique. Le fluide aqueux ainsi libéré est responsable de nombreux phénomènes géologiques superficiels et profonds (séismes profonds, volcanisme d’arc, recyclage des éléments, etc…).

La composition chimique primaire d’un tel fluide reste encore très mal connue, et résulte de l’équilibre entre minéraux et fluide à haute pression (0-10 Gpa) et haute température (0-1000 °C). Pourtant elle est indispensable à la construction des cycles élémentaires globaux, puisque la répartition des éléments entre la surface et la profondeur se fait au niveau des zones de subduction.

Pour connaître la quantité et la composition des fluides libérés lors des processus de déshydratation, les données disponibles sont d’une part la composition des magmas d’arc, et celle des roches exhumées, et d’autre part quelques coefficients de partage entre fluide et/ou minéraux-magma. Ces dernières données expérimentales sont rares car difficiles à obtenir à partir de mesure ex situ, et sont souvent remises en question du fait de l’hyper-réactivité des fluides hydrothermaux. En effet, les réactions fluides-minéraux sont souvent plus rapides que la trempe des expériences, et les échantillons ainsi récupérés peuvent ne pas avoir préservé la chimie de l’équilibre à HP-HT.

Pour améliorer et compléter ces données expérimentales, des mesures de chimie des fluides à l’équilibre avec les minéraux, in situ en cellule à enclumes de diamant (CED) apparaissent optimales. Les expériences récentes couplant les cellules à enclume de diamants et la fluorescence X se sont surtout concentrées sur la solubilité de certains minéraux (strontianite, AgCl). Les limites de détection atteintes lors de ces expériences atteignent les 10 ppm ce qui restent encore trop important pour estimer les coefficients de partage élémentaire entre fluide et minéraux.

Nous présentons ici, une nouvelle géométrie expérimentale testée sur la ligne de lumière ID22 à l’ESRF. Ce dispositif permet d’atteindre des détections limites de l’ordre de 1-2 ppm, et ouvre la voie à l’étude du partage des éléments trace au court d’expériences de dissolution/précipitation de minéraux.

Le signal de fluorescence est détecté à 90 degrés du faisceau incident, par les sept éléments centraux d’un détecteur 13 éléments GRESHAM^®. Pour ces expériences, une cellule panoramique disposant d’une ouverture latérale est nécessaire. Nous avons utilise la CED développée par J.C.Chervin et A.San Miguel . Le joint doit être relativement transparent au Rayons X et non réactif avec le fluide aqueux. Nous avons utilisé un joint en titane de 600 microns de diamètre percé d’un trou de 200 microns et serti dans un anneau de soutien en Teflon^®. Afin de limiter la contamination du signal de l’échantillon par la fluorescence secondaire induite par la diffusion Compton du diamant, nous avons blindé l'intérieur de la CED avec une couche d'Indium de 500 microns d'épaisseur, et inséré un cône de collimation dans l'ouverture panoramique. L'efficacité de ce dispositif est illustré par la figure 1 ci-contre.

Les échantillons mesurés sont des solutions standards pour la spectrométrie de masse. Leur concentration à systématiquement été mesurée a posteriori par Inductive Coupled Plasma Mass Spectrometer (ICP-MS) au Laboratoire de Sciences de la Terre (Lyon). Afin d’établir les limites de détections, des gammes de solutions entre 5 ppm et 500 ppm ont été analysées sur deux solutions mono élémentaires d’arsenic et de rubidium respectivement ainsi que sur une solution multi élémentaire de 24 éléments. La figure 2 ci-dessous présente les résultats obtenus sur des solutions contenant de 5 ppm à 200 ppm d’arsenic. Pour comparaison, le spectre du joint à vide est également reporté. Les limites de détection théoriques établies pour cette série d’expériences sont comprises entre 1.7 ppm (solution à 5 ppm) et 3.1 ppm (solution à 200 ppm).

Les résultats montrent également une corrélation linéaire entre l'intensité mesurée de l’élément étudié et la concentration du fluide. Il est donc envisageable de suivre l’évolution d’un élément au cours du temps, lors d’expérience de dissolution de minéraux avec une bonne précision.

La figure 3 ci-dessous présente les résultats obtenus sur des solutions multi élémentaires de concentrations allant de 10 ppm à 500 ppm.

Ces résultats permettent de valider un protocole expérimental et montrent que des détections élémentaires peuvent être conduites jusqu'à des seuils très bas.