Le système hydrothermal actuel de Los Humeros (Mexique): Etat du système SO ⁴₋₋ —SH₂ à 300°C, origine du soufre et phénomènes d'oxydation associés à l'ébullition du fluide ascendant

Résumé

Dans le champ geothermique de Los Humeros, les sulfates et sulfures aqueux sont en équilibre chimique et isotopique bien que les fluides soient pauvres en soufre (7,7 mM/kg) et alcalins (pH℞8,5) dans les conditions régnant en profondeur. Le figement de cet équilibre à 290 °C peut résulter de l'entrée en ébullition du liquide ascendant. Dans le puits LH1, le δ³⁴S de la pyrite (0‰) et du SH₂ (℞−12‰) sont très différents. Le δ³⁴S du soufre total en solution est voisin de −11‰. Le soufre de la pyrite (0‰) peut être d'origine magmatique. En revanche, le soufre hydrothermal actuel est clairement remobilisé à partir du substratum sédimentaire. Dans le fluide du même puits le rapport CO₂/CH₄ (58) est très inférieur à celui calculé à 300 puis à 350 °C. Inexplicable par le figement du système CO₂-CH₄ dans cet intervalle, cet écart peut être supprimé moyennant une réestimation de la constante de cet équilibre (log K_G=−7,90 à 300 °C). L'existence d'un paléosystème hydrothermal en ébullition est démontrée par une étude des inclusions fluides des minéraux de néoformation collectés à différentes profondeurs dans l'empilement volcanique. L'intense oxydation affectant cette dernière peut alors être expliquée. En effet, l'entrée en ébullition du liquide ascendant détermine un transfert massif et irréversible de l'hydrogène moléculaire dans la phase vapeur. Ceci rend la phase liquide plus oxydante que dans le réservoir. Par ailleurs, remontant vers la surface, le fluide biphasé se vaporise continuement. Il s'élève donc à température décroissante et à vitesse croissante. Dès lors, chaque kg de fluide ne peut être en équilibre avec les paragenèses primaires (pyrite + pyrrhotite + magnétite) rencontrées lors de sa remontée que si fO₂ et fH₂ s'ajustent de manière continue et très rapide aux conditions locales d'équilibre. Ce réajustement quasi instantané est irréalisable compte tenu de la lenteur des réactions entre phases fluides et cristallisées. Dans un système hydrodynamique en état stationnaire, ce déséquilibre permet la lente oxydation de la pyrrhotite et de la magnétite en hématite.

Abstract

In the geothermal system of Los Humeros, hydrothermal fluids are low in sulfur (7.7 mM/kg) and are slightly alkaline (pH of ca. 8.5) at depth. Nevertheless, the aqueous sulfate-sulfide species are in isotopic and chemical equilibrium. The “freezing” of these equilibria at 290 °C is tentatively related to boiling of water at this temperature. In the LH1 borehole δ³⁴S values for pyrite (ca. 0‰) and present aqueous SH₂ (ca. −12‰) are very different. Measured δ³⁴S value of the bulk aqueous sulfur is close to −11‰ These data suggest a possible magmatic origin of pyrite (ca. 0‰) and, in contrast, a sedimentary source for the present hydrothermal sulfur. The CO₂/CH₄ molar ratio of 58 determined in the fluid from this well is much lower than the ratio calculated for 300° and 350 °C. This divergence is eliminated when the equilibrium constant is reestimated (log K_G=−7.9 at 300 °C). Based on fluid inclusion study the boiling of hydrothermal fluid before the geothermal area was opened by drilling is proven in neoformed minerals sampled at different levels of the volcanic sequence. In this way, the pervasive oxidation of the primary reduced paragenesis (pyrite + pyrrhotite + magnetite) can be explained. The boiling of the ascending water does induce a H₂ loss from the liquid and creates more oxidizing conditions in the ascending liquid. Moreover, the continuous vaporization of liquid water induces its gradual cooling and increases the ascension speed. Furthermore, a persistence of chemical equilibrium between primary paragenesis and the hydrothermal fluid at different levels would require a very fast and unrealistic adjustment of the fO₂-fH₂ parameters to the local equilibrium conditions. This expected disequilibrium induces the afore mentioned oxidation processes under steady-state conditions.