Experimental study of iron isotope fractionation at hydrothermal conditions
Etude expérimentale du fractionnement isotopique du fer aux conditions hydrothermales
Résumé
We have studied experimentally the iron isotope fractionation between hydrothermal fluids and the main Fe-bearing minerals, pyrite and hematite. The experiments consisted of precipitating, from solutions of known chemical composition, pyrite or hematite in a hydrothermal reactor under controlled pressure, temperature, redox and acidity conditions. The results, combined with thermodynamic calculations of Fe chemical speciation and theoretical predictions of Fe isotope fractionation show that the isotope fractionation factors obtained in hematite dissolution and precipitation experiments are in good agreement with theoretical predictions indicating near-zero fractionation between hematite and a fluid dominated by ferric chloride complexes, and slightly negative fractionations between hematite and a ferrous iron dominated fluid (e.g., 57Fefl-hm =-0.5±0.1 ‰ at 300°C/80bar). In pyrite precipitation experiments at 450°C and 600bar, the measured fractionation factors (57Fefl-pyr~0.5 to 0.8‰ ±0.2‰) are by 1.5‰ higher than theoretical predictions. This difference is due to disequilibrium between pyrite and fluid caused by a specific mechanism of pyrite formation via an intermediate phase (mackinawite), which rapidly equilibrates with the fluid and keeps its isotopic composition upon transformation into pyrite. This work reports the first experimental calibration of equilibrium and kinetic Fe isotope fractionation in the systems FeII/FeIII(aqueous)-hematite and FeII(aqueous)-pyrite at elevated temperatures, and provides evidence for the importance of redox control and mineral precipitation mechanisms on Fe isotope fractionation at hydrothermal conditions
Le but de cette thèse est de générer les premières données expérimentales de fractionnement des isotopes de Fe entre minéraux et fluides en conditions hydrothermales et de les confronter aux prédictions théoriques et aux données naturelles. Dans ce travail, nous avons étudié le fractionnement isotopique du fer entre hématite, pyrite, et fluides aqueux de différente composition, entre 200 et 450°C et jusqu'à 600 bar. Les expériences ont consisté à précipiter ou à dissoudre, dans des solutions de compositions connues, de la pyrite ou de l'hématite dans des réacteurs hydrothermaux. Les résultats montrent un fractionnement à l'équilibre quasi-nul entre l'hématite et un fluide dominé par les complexes chlorurés du fer ferrique, alors qu'une solution où les espèces chlorurées du fer ferreux dominent s'enrichit en isotope léger en équilibre avec l'hématite (57Fefl-hm =-0,5±0,1 ‰, 300°C/80bar). Ces résultats sont en bon accord avec les prédictions théoriques. Par contre, nos expériences de précipitation de la pyrite à 450°C et 600 bar à partir de fluides salins contenant du fer et du soufre montrent systématiquement des facteurs de fractionnement de ~1,5‰ plus grands (57Fefl-pyr~0,5 à 0,8‰ ±0,2‰) que ceux prédits par les calculs en équilibre avec une pyrite. Ceci peut s'expliquer par le mécanisme de précipitation de la pyrite via la mackinawite qui, lors de sa formation, s'équilibrerait avec le fluide mais garderait sa composition isotopique lors de sa transformation rapide en pyrite. Cette étude constitue la première calibration expérimentale du fractionnement isotopique dans les systèmes FeII/III(aqueux)-hématite, et FeII(aqueux)-pyrite aux températures hydrothermales.
Loading...