ETUDE EXPERIMENTALE DE L’EAU ET DE SOLUTIONS AQUEUSES METASTABLES 

L’eau tensile est de l’eau liquide métastable qui persiste dans le champ de stabilité de la vapeur à pression négative, sa durée de vie est finie. Des états de traction de l’eau jusqu’à -1400 bar ont été mesurés de façon spécifique dans des micro-inclusions intracristallines. La nucléation de vapeur (Tn) marque le retour à l’équilibre. Les effets destructeurs liés à la rupture d’états transitoires d’eau tensile sont observés dans le milieu naturel : explosions phréato-magmatiques, geysers. Modéliser la cinétique de l’eau métastable est fondamental pour gérer les risques qui lui sont associés. Des inclusions fluides synthétiques (IF) de composition et de densité connues, piégées dans du quartz, ont été placées dans le champ métastable par refroidissement isochore et leurs gammes de métastabilité ont été mesurées. On montre que la traction maximale de l’eau dans chaque IF dépend de son volume et de sa forme, de la méthode de synthèse de l’IF, de la chimie des solutions occluses. Des expériences de durée de vie ont été ensuite réalisées sur des IF placées de 0,5° à 10°C au-dessus de leurs Tn. Les 8 IF choisies rende nt compte de la diversité des formes, des volumes, des densités et gammes de traction observées. Les résultats montrent que la durée de vie de l’eau tensile en IF est d’autant plus courte que la traction de l’eau est plus forte. Une loi empirique est proposée qui permet de calculer la durée de vie de la métastabilité pour chaque IF de Tn et volume fixés. Par ailleurs, nos données peuvent être rendues compatibles avec la Théorie Classique de la Nucléation. Nos résultats montrent que l’eau dans les réservoirs poreux naturels peut rester métastable pendant des durées géologiques et ainsi, contrôler les interactions fluides-roches dans la croûte. Mots clés : eau métastable, inclusions fluides, nucléation, durée de vie.

EXPERIMENTAL STUDY OF WATER AND AQUEOUS SOLUTIONS METASTABLES: 

IMPLICATIONS FOR THE NATURAL ENVIRONMENT

Stretched (tensile) liquid water is a metastable liquid which persists at negative pressures in the stability field of vapour. The lifetime of metastability is limited. Tensions down to – 1400 bar have been specifically measured in aqueous inclusions inside quartz monocrystals. Vapour nucleation (Tn) marks the end of metastability. The destructive effects related to vapour nucleation in transiently tensile fluids are observed in nature: phreato-magmatic explosions, geysers. Modelling the kinetics of tensile water is critical in order to control the risks associated to metastable liquids. Quartz-hosted synthetic fluid inclusions (FI) with known densities and chemistries have been placed into the metastable tensile field by isochoric cooling and their Tn have been measured. We show that the tensile strength of water in individual FI depends on the FI volume and shape, the method used to synthetize the FI and the fluid chemistry. Experiments on metastability lifetimes have been performed by placing FI at temperatures 0.5° to 10°C above th eir Tn. Eigth FI were chosen that encompass the diversity of FI volumes, shapes, densities, fluid chemistries and tensile strengths. Our results show that tensile water lifetimes are all the shorter as the trapped water is more stretched. An empirical kinetic law is proposed that allows the lifetimes of tensile water in FI to be calculated as a function of the FI volume and Tn. Our data can also be reconciled with the Classical Nucleation Theory. Our data finally show that water in natural porous reservoirs can remain stretched for geologically-relevant timescales. Tensile water can therefore control fluid-rock interactions in the continental crust. Keywords : metastable water, fluid inclusions, nucleation, lifetime