Clay minerals related to circulation of near neutral to weakly acidic fluids in active high energy geothermal systems

• Autores: Cécile Rigault, Patricia Patrier, Daniel Beaufort
• Localización: Bulletin de la Société Géologique de France, ISSN 0037-9409, Vol. 181, Nº. 4, 2010 (Ejemplar dedicado a: Hydrothermalisme en domaine continental / coord. por D. Gasquet), págs. 337-347
• Idioma: inglés
• Títulos paralelos:
  • Les minéraux argileux associés aux circulations de fluides neutres à légèrement acides dans les systèmes géothermiques actifs de haute énergie
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• Resumen
  • English

    Clay minerals are widespread alteration products in most hydrothermal systems and are considered as efficient petrogenetic guides. Their distribution in active geothermal fields depends on the ability of the fluid to approach equilibrium with host rocks at any scale during the hydrothermal processes. Both illitization and chloritization reactions depend on factors such as time, water-rock ratio, deformation history... as well as the variables used to define equilibrium (i.e., temperature, composition). This paper is focussed on how the properties of clay minerals change with respect to the evolution of hydrogeological conditions during the life time of geothermal systems. The presented data are based on comparative studies performed in productive and non productive zones of several active geothermal systems related to subduction plate tectonics (Chipilapa, Milos and Bouillante). The temporal sequence of clay crystallizations can be summarized as follows. The opening stage of the geothermal system promotes a massive crystallization of metastable smectites in conditions of strong thermodynamic disequilibrium. As time and alteration progress, clay minerals of the newly sealed parts of the reservoir are transformed in more stable phases (via dissolution crystallization processes). Metastable smectites continue to precipitate in the permeable zones still subjected to strong physico-chemical disequilibrium such as boiling or mixing of fluids of contrasted composition and/or temperature, whereas clay minerals close to those predicted by thermodynamic calculations (illite, chlorite) crystallize in other zones in which the geothermal fluid can reach chemical equilibrium with the altered host rock. Downward infiltration of surficial water led to crystallization of montmorillonite in the outer part of geothermal fields. Collapsing of hydrothermal activity leads to a change in the heat flow regime with predominance of a depth dependant conductive thermal gradient. Even if such thermal conditions promote the transformation of the previously formed smectite rich metastable clay minerals and lead to a progressive emplacement of depth dependant conversion series of di- and trioctahedral smectites to respectively illite and chlorite, signatures of the ancient geothermal reservoirs are preserved in the textural or microstructural properties of the clay particles which sealed them.

  • français

    Les minéraux argileux sont des produits d'altération tiès répandus dans les systèmes hydrothermaux et compte tenu de leur forte réactivité, ils ont souvent été utilisés comme guide pétrogénétique. Dans les systèmes géothermiques actifs, leur distribution est contrôlée par le degré d'équilibre thermodynamique atteint entre le fluide hydrothermal et les roches encaissantes au cours des différents épisodes d'interactions. Les degrés d'avancement des réactions d'illitisation et de chloritisation sont influencés par de nombreux facteurs comme la durée des réactions, le rapport fluide/roche, l'histoire tectonique, la température ou la composition du fluide et des roches. Cet article a pour objectif de préciser comment les propriétés des minéraux argileux témoignent de l'évolution des conditions hydrogéologiques durant toute la durée de fonctionnement d'un système géothermique. Les données présentées dans cet article reposent sur une étude comparative des minéraux argileux rencontrés dans les niveaux producteurs et non producteurs de différents systèmes géothermiques actifs formés en contexte géodynarnique de zones de subduction (Chipilapa, Milos et Bouillante). Les cristallisations de minéraux argileux au cours des différents stades de fonctionnement de ces systèmes peuvent être résumées comme suit: l'ouverture du système géothermal est marquée par la cristallisation massive de smectites métastables dans des conditions de fort déséquilibre thermodynamique. Les altérations associées à ces circulations vont progressivement colmater le milieu. Dans les zones ayant subi une forte réduction de leur perméabilité, le matériel smectitique a évolué vers des phases minérales moins instables via des processus de dissolution-recristallisation. Actuellement, des smectites métastables se forment encore dans les zones de failles actives (où s'observent des phénomènes d'ébullition ou de mélanges de fluides de chimie et/ou de température contrastées) et les minéraux argileux prédits par la modélisation thermodynamique (illite, chlorite notamment) cristallisent dans les réservoirs où les fluides sont proches de l'équilibre avec le milieu environnant.

    L'infiltration des eaux superficielles dans les parties externes des systèmes, est marquée par la formation de montmorillonite. En fin d'évolution, l'effondrement de l'activité hydrothermale marque un retour à un mode de transfert thermique conductif. Même si la durée de ce dernier stade peut être suffisamment longue pour lisser les hétérogénéités de distribution des minéraux argileux (observation de séries de conversions régulières des smectites di- et trioctaédriques vers l'illite et la chlorite), une partie de l'histoire hydrologique du système peut rester enregistrée dans les minéraux argileux (notamment dans leurs propriétés microstructurales ou texturales).