Étude multi-échelle des mécanismes hydro-mécaniques contrôlant le rendement de la production d'hydrogène naturel lors de la serpentinisation // Multiscalar study of hydro-mechanical mechanisms controlling the efficiency of di-hydrogen production during se

Les roches du manteau (péridotites) exposées à la surface de la Terre sont en déséquilibre avec les eaux de surface et se transforment en serpentinites par une série de réactions de dissolution des silicates riches en Fe(II) qui les composent (olivine, pyroxènes), d'oxydation du Fe(II) et de réduction conjointe de l'eau produisant du di-hydrogène (H₂), ainsi qu'une suite de réactions annexes (carbonatation…). Les conditions thermodynamiques favorables à la serpentinisation sont connues, mais les facteurs contrôlant les chemins réactionnels et les taux de réaction effectifs restent peu compris en raison de la dépendance de ces réactions aux processus hydrodynamiques. La serpentinisation extensive des péridotites à la surface de la Terre indique que ces réactions sont efficaces à grande et petite échelle et sur de longues périodes, bien que les péridotites aient une perméabilité faible (~10⁻²⁰ m²).
Cette thèse a pour objectif d'améliorer nos connaissances sur les processus contrôlant la production naturelle d'H₂ lors de la serpentinisation. Il s'agit d'identifier et de quantifier les critères physico-chimiques permettant de modéliser le potentiel et le taux de production d'H₂ dans les systèmes serpentinisés. Les questions concernant (1) la contribution du débit à l'efficacité des réactions produisant de l'H₂ à différentes conditions de pression et température, et (2) les processus chimico-mécaniques favorisant le maintien de la perméabilité et la pérennité de la production H₂ au-delà du colmatage de la porosité seront étudiées.
Le projet est basé sur la réalisation d'expériences de l'échelle microscopique à mésoscopique utilisant les outils de la plateforme expérimentale IcareLab (GM). Leur originalité est de permettre le monitoring in situ de l'évolution minérale des systèmes étudiés, et ainsi de quantifier les chemins et cinétiques réactionnels. Ce programme se décompose en deux volets :
1. L'évaluation des processus de serpentinisation à l'échelle microscopique, utilisant le micro-réacteur optique haute pression IcareLab-OMER-HP. IcareLab-OMER-HP est un équipement de type DAC à flux continu développé à GM en collaboration avec Thierry Michel (LGC, UM). Il permet le monitoring des réactions par spectroscopie Raman. L'objectif des expériences est de caractériser le processus de serpentinisation à l'échelle de la surface réactive, en se concentrant sur (1) la formation des espèces précurseurs de serpentine et de proto-serpentine, d'oxydes et le contrôle de catalyseurs présents dans la roche (Al, Ni...), (2) le rôle de la pression et en particulier de la surpression qui peut se produire à l'échelle micrométrique lors de la formation exovolumique de la serpentine.
2. L'évaluation de la durabilité de la perméabilité des roches confinées en cours de serpentinisation en utilisant le micro-réacteur oedométrique IcareLab-CristalForce. Les réactions d'hydratation peuvent déclencher l'accumulation de contraintes et la fissuration, des mécanismes non quantifiés, notamment en termes de cinétique. CristalForce reproduit un large spectre de conditions thermo-hydro-mécaniques et chimiques (THMC), tout en permettant une quantification directe, par microtomographie à rayons X, des effets mécaniques. La serpentinisation étant lente, des expériences de plusieurs mois seront réalisées dans le cadre du projet Chronos (ESRF), afin d'effectuer des imageries hebdomadaires à mensuelles, sous la supervision de Benoit Cordonnier (scientist sur les lignes ID19 & BM18). L'objectif est d'obtenir (1) une mesure en 4D des changements THMC et (2) en couplant imagerie et mesures physiques, les paramètres nécessaires pour modéliser les mécanismes qui contrôlent la serpentinisation et la production d'H₂.
Ces résultats seront confrontés à différents modèles THMC en collaboration avec le CSIC (Barcelone) et avec l'UFC (Fortaleza, Brésil). Des simulations à l'échelle du continuum (Phreeqc) seront réalisées en collaboration avec l'université de Brême, Allemagne.
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Mantle rocks (peridotites) exposed at the Earth's surface are in disequilibrium with surface waters. They are transformed into serpentinites by a series of reactions involving dissolution of the Fe(II)-rich silicates of which they are composed (olivine, pyroxene), oxidation of Fe(II) and reduction of water, producing dihydrogen (H₂), to which can be associated carbonation reactions when CO2 is present. The thermodynamic conditions favourable to serpentinisation are known, but the factors controlling reaction pathways and effective reaction rates remain poorly understood due to the dependence of these reactions on hydrodynamic processes. The extensive serpentinisation of peridotites at the Earth's surface indicates that these reactions are effective on large and small scales and over long timescales, despite the low permeability of peridotites (~10-²⁰ m²).
This work aims to improve our knowledge of the processes controlling the natural production of H₂ during serpentinisation. The aim is to identify and quantify the physicochemical criteria for modelling the potential and rate of H₂ production in serpentinised systems. Questions concerning (1) the contribution of flow rate to the efficiency of H₂-producing reactions at different pressure and temperature conditions, and (2) the chemical-mechanical processes that promote the sustained permeability and H₂ production beyond porosity clogging will be investigated.
The project is based on the realisation of laboratory experiments from the microscopic to the mesoscopic scale using the intruments of the IcareLab experimental platform (GM). Their originality lies in the fact that they allow the in situ monitoring of the mineral evolution of the studied systems, thus quantifying the reaction pathways and kinetics. This programme is divided into two parts
1. Evaluation of serpentinisation processes at the microscopic scale using the IcareLab-OMER-HP high-pressure optical micro-reactor. The IcareLab-OMER-HP is a continuous flow DAC type apparatus developed at GM in collaboration with Thierry Michel (LGC, UM). It allows reactions to be monitored using Raman spectroscopy. The aim of the experiments is to characterise the serpentinisation process at the reactive surface scale, focusing on (1) the formation of serpentine and proto-serpentine precursors, oxides and the control of catalysts present in the rock (Al, Ni...), (2) the role of pressure and in particular the overpressure that can occur at the micrometric scale during the exovolumic formation of serpentine.
2. Assessment of permeability durability of confined rocks undergoing serpentinisation using the IcareLab-CristalForce oedometric micro-reactor. Hydration reactions can trigger stress accumulation and cracking, mechanisms that are not quantified, particularly in terms of kinetics. CristalForce reproduces a wide range of thermo-hydro-mechanical and chemical (THMC) conditions, while allowing direct quantification of mechanical effects by X-ray microtomography. As serpentinisation is a slow process, experiments will be carried out over several months, with weekly to monthly imaging, under the supervision of Benoit Cordonnier (scientist on beamlines ESRF ID19 & BM18) as part of the ESRF Chronos project. The aim is to obtain (1) a 4D measurement of the THMC evolution, and (2) by coupling imaging and physical measurements, the parameters necessary to model the mechanisms controlling serpentinisation and H₂ production.
These results will be compared with different THMC models in collaboration with CSIC (Barcelona) and UFC (Fortaleza, Brazil). Continuum scale simulations (Phreeqc) will be carried out in collaboration with the University of Bremen, Germany.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Concours GAIA

Université de Montpellier

584 GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau

Le/la candidat(e) devra avoir un Master en Géosciences, ou en Physique / Chimie avec option Géosciences. De bonnes bases en minéralogie, thermodynamique, hydrodynamique et/ou chimie des fluides sont souhaitées.
Master's degree in Geosciences, or in Physics / Chemistry with basic knowledge in Geosciences. A solid background in mineralogy, thermodynamics, hydrodynamics and/or in fluid chemistry is expected.