Détermination des conditions de précipitation des carbonates dans

C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la Terre et des planètes / Earth and Planetary Sciences 331 (2000) 303–309
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S1251805000014294/FLA
Géodynamique / Geodynamics
Détermination des conditions de précipitation des
carbonates dans une zone d’altération du granite
de Soultz (soubassement du fossé Rhénan, France) :
l’enregistrement des inclusions fluides
Michel Dubois*, Béatrice Ledésert, Jean-Luc Potdevin, Sébastien Vançon
a
« Sédimentologie et géodynamique », CNRS, UFR des sciences de la Terre, université des sciences et technologies de Lille,
59655 Villeneuve d’Ascq cedex, France
Reçu le 21 mars 2000 ; accepté le 24 juillet 2000
Présenté par Jean Aubouin
Abstract – Determination of the formation conditions of carbonates in an alteration zone of the Soultz-sous-Forêts granite (Rhine Graben): the fluid inclusion
record. A fluid inclusion study was carried out in quartz and ankerite veins (drillhole
EPS-1, depth 1 641 m) of the Soultz-sous-Forêts granite (geothermal exchanger).
Homogenisation temperatures in quartz and ankerite lie in a narrow similar range and
are consistent with the present-day in situ temperature measured in the well. Ankerite
and quartz have precipitated in the same conditions, which appear to be general at the
site scale in all observed alteration facies. Quartz and ankerite are likely to precipitate at
present. The data suggest that the fluid probably has a pulsated mode of circulation.
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alteration / granite / Rhine Graben / Soultz / fluid inclusions / carbonates / salinity
Résumé – Les inclusions fluides de carbonates (ankérite) et de quartz ont été étudiées
dans trois veines qui recoupent le granite de Soultz, site pilote en géothermie. Les températures de formation du quartz et de l’ankérite sont similaires à la température relevée
actuellement dans le forage. Les carbonates et le quartz ont donc précipité dans les
mêmes conditions, qui semblent générales à l’échelle du site pour les différents faciès
d’altération du granite et se forment certainement encore actuellement. Les données obtenues suggèrent que le fluide circule de manière pulsée. © 2000 Académie des sciences /
Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS
altérations / granite / graben Rhénan / Soultz / inclusions fluides / carbonates / salinité
Abridged version
1. Introduction
The Soultz-sous-Forêts area (Alsace, France) is
located in the western part of the Upper Rhine Graben.
It belongs to the continental rift system extending from
Germany to Golfe du Lion (France), formed as a consequence of the Alpine orogeny [9]. This rift is filled by a
large accumulation (up to 3 km in some places) of syn-
rift sediments, ranging in age from the Middle Eocene
to the Quaternary. The sedimentary in-filling rocks have
been extensively studied because of their economic
potentialities (mostly evaporites and petroleum). They
comprise siltstones, marls, sandstones and to a lesser
extent limestones. At Soultz, the granite (320 ± 8 Ma by
K/Ar) [4] is overlaid by a 1 400 m thick sedimentary
cover of Permian to Oligocene age. Three deep boreholes have been drilled for geothermal purposes
(EPS-1, GPK-1 and GPK-2). EPS-1 has been entirely
* Correspondance et tirés à part : [email protected]
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cored and has reached a depth of 2 200 m, providing
800 m of granite cores. This granite is due to become a
Hot Dry Rock geothermal exchanger. As a consequence
its physico-chemical state needs to be well characterised, in order to predict its behaviour during fluid injection. Focus is given to the study of hydrothermal alteration since altered facies represent 10 % of the cored
section [7] and they are likely to be more reactive
towards injected fluids. Extensive study of fluid inclusions in newly formed quartz crystals has already been
performed [3, 19] showing a rather constant range of
temperatures all along the granite cored section
(130–150 °C). Numerous carbonate veins have also
been encountered but they have not been studied yet.
The aim of this paper is to provide data concerning the
carbonate crystallisation conditions during hydrothermal
alteration and to compare them with quartz data.
2. Alteration features of the Soultz granite
The Soultz granite is characterized by the occurrence
of large alkali feldspar crystals in a matrix composed of
quartz, plagioclase (oligoclase), biotite, hornblende,
titanite, allanite and magnetite. The granite body has
undergone two main hydrothermal alteration events [8,
10, 12, 20]. The first one is a late-magmatic propylitic
alteration, pervasive within the entire granite body. It
corresponds to the transformation of amphibole and
biotite into chlorite, carbonate, epidote or hydrogrossular whereas plagioclase is transformed into calcite, corrensite and illite [12]. The second alteration, called ‘vein
alteration’, is restricted along fractures in which fluids
have circulated. In total, about 3000 fractures have
been encountered in the 800 m sections of granite
cores [5]. Most of them are sealed by quartz, carbonate
or barite deposits. Each fracture is surrounded by an
altered zone of highly variable intensity. Authigenic
phases include white micas (illite, sericite), carbonates
(calcite, siderite and ankerite), chlorite, quartz and
locally tosudite. They occur in primary plagioclase,
biotite and amphibole as well as in small fractures.
Generally K-feldspar remains fresh.
3. Results
Fluid inclusions were studied in sample K109-2975
(depth 1 641,91 m). This sample is intensely altered,
marked by the complete transformation of biotite into
chlorite or an assemblage of calcite, siderite, white mica
and oxides. Orthoclase remains fresh. The primary plagioclase is transformed into chlorite. Oxides are very
abundant and responsible for the purple colour of the
sample. This alteration is related to cataclase zones and
to a large network of veins and is therefore interpreted
as being due to vein alteration.
In this sample at least three alteration stages are
superimposed. The sample includes a 3 mm-wide
quartz vein, a 1 mm-wide ankerite vein and a thin (less
than 200 µm wide) vein composed of vuggy quartz
304
(figure 1). The ankerite vein crosscuts the large
quartz vein. The ankerite crystals clearly show a zonation of at least three crystallisation events. Their
composition, from CaMg0.79Fe0.18Mn0.04(CO3)2, inner
crystals) to nearly pure magnesian carbonate
(CaMg0,96Fe0,03Mn0,01(CO3)2, outer crystals) is less ferrous than those previously analyzed [10].
Fluid inclusions were studied in the three vein types.
1) The thin quartz vein is composed of at least two
quartz generations. The first one is directly in contact
with the altered granite, the second one is an inner
vuggy quartz. Fluid inclusions were studied in this second generation. They contain two phases (liquid +
vapour) at room temperature. Microthermometric runs
give ice-melting temperatures (noted Tmi in the following) between –6.6 and 0°C, but most values are
between –2 and 0 °C (figure 2). Homogenisation temperatures (always to liquid; noted Th in the following)
range between 140.5 and 148.0 °C (figure 2).
2) In the large quartz vein, inclusions show two phases
(liquid and vapour at room temperature). Tmi range
from –32 to 0 °C, whereas Th are comprised between
120.5 and 200 °C (figure 2).
3) In ankerite, inclusions show two phases (liquid +
vapour) and have Tmi ranging between –9,7 and +1°C
(figure 3). Values higher than 0 °C are attributed to a
metastable behaviour currently observed in fresh waterbearing inclusions [18]. Homogenisation temperatures
lie in a very narrow range (137.5 to 158°C) (figure 3),
suggesting that inclusions have not been altered since
their formation and are relatively young.
4. Discussion and concluding remarks
Salinities show large variations. Three groups can be
distinguished: (i) salinity up to 23 wt% eq. NaCl, (ii)
salinity of about 10 wt% eq. NaCl, and (iii) salinity of
less than 1 wt% eq. NaCl.
In ankerite, salinities of only groups (ii) and (iii)
have been encountered. The high salinity brine (group
i) has not been observed.
Such salinities have already been determined in previously studied alteration zones [3, 12, 19]. A salinity of
10 wt% eq. NaCl is the present-day salinity of the fluids
sampled in the granite and its sedimentary cover [17].
Salinities of more than 23 wt% eq. NaCl have been
already measured in barite veinlets at the granite top
and probably correspond to deep sedimentary brines
penetrating the granite along open fractures [1, 19].
Very low salinities might correspond to meteoric water
penetrating deeply due to rapidly opened fractures
caused by seismic activity.
These variations could correspond to the mixing, at
constant temperature, of sedimentary brines and meteoric waters [3]. However, isotopic data obtained in the
quartz vein located at a 2 174 m depth shows no correlation between the isotopic signature and the composition of the fluid. These variations should rather be
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attributed to changes in the flow path and to the duration of interactions between the fluid and the granite
[19]. The nature of the visited rock – either fresh or
already altered – would then be of great importance in
the establishment of circulation models.
The Th range in the quartz veinlet and ankerite is
narrow whereas it is relatively large in the quartz vein.
This width can be attributed either to stretching of
inclusions or to a fluid input with a higher temperature.
This second hypothesis is corroborated by the fact that
fluid inclusions with high Th are located at the border
of the crystals. The trapping temperature, calculated for
a hydrostatic pressure of 164 bars, is in the range 144
to 159 °C. This temperature range is consistent with the
present-day in situ temperature at this depth (142 °C).
These data are also consistent with previous studies in
quartz [3, 12, 19] and confirm the homogenous temperature of quartz crystallisation.
It is now demonstrated that carbonates and quartz
have precipitated in the same temperature–pressure
range, similar to the present-day conditions. As precipitation of quartz in veins and white micas in the wall
rocks is a phenomenon likely to continue at present
[10], calcite is also probably still precipitating since in
other altered zones of the granite these three mineral
species are closely associated [12]. Moreover, the variation of fluid sources, as well as indices of higher fluid
temperatures (in the quartz vein), suggest that the fluid
probably has a pulsated mode of circulation in the
Rhine Graben basement.
1. Introduction
de Soultz-sous-Forêts est une zone importante de circulations de fluides caractérisée par un flux de chaleur en
surface élevé. La région est d’ailleurs connue par les
séries riches en pétrole de Pechelbronn, d’âge Oligocène, exploitées depuis le XIXe siècle à une profondeur
d’environ 700 m. Actuellement, trois forages profonds
ont été réalisés dans le secteur de Soultz (EPS-1, GPK-1
et GPK-2) dans le cadre du Projet européen de géothermie. En particulier, le forage EPS-1 a été carotté sur
environ 800 m dans le granite de Soultz (entre 1 400 m,
base de la couverture sédimentaire, et 2 200 m). C’est
dans un échantillon de ce forage qu’ont été prélevées
les veines étudiées. La zone située à 1 641 m de profondeur dans le forage EPS1 a été choisie, car elle est
macroscopiquement représentative des faciès d’altération observés tout le long du granite. Par ailleurs, de
nombreuses petites veines ont été observées dans les
lames minces étudiées et se sont révélées particulièrement favorables à l’étude microthermométrique des
inclusions fluides.
Le granite de Soultz-sous-Forêts a été retenu pour le
développement d’un projet européen de géothermie
profonde en terrain fracturé (géothermie dite roches
chaudes sèches). Ce granite, intensément fracturé et
altéré, est un excellent laboratoire pour étudier les effets
des circulations de fluides de bassin. Les altérations,
leur nature et leur répartition ont déjà fait l’objet de
nombreuses études [5, 10–12, 16]. Toutefois, la nature
et la température des paléo-fluides responsables de ces
altérations n’ont été caractérisées qu’à partir des inclusions fluides de quartz et de barytine qui précipitent
dans des veines et qui correspondent à certains épisodes
d’altération. Ces températures sont très proches de celles mesurées dans les forages à une profondeur de
2 000 m (135 à 145 °C) [3, 19].
Cette note présente une étude des inclusions fluides
dans des carbonates et des quartz précipités dans trois
types de veines d’un même échantillon. Il s’agit là de
comparer les conditions de l’altération marquées par les
carbonates à celles, plus connues, enregistrées par le
quartz.
2. Cadre géologique
Le granite de Soultz-sous-Forêts (320 ± 8 Ma par K/Ar)
[4] appartient à la ceinture Varisque qui affleure également dans les massifs des Vosges et de la Forêt-Noire. Il
est localisé dans la zone occidentale du graben du
Rhin. Ce dernier est un rift continental qui s’étend
depuis l’Allemagne jusqu’au golfe du Lion (France) et
s’est formé en relation avec l’orogenèse alpine [9]. Le
rift est rempli par une forte accumulation (localement
jusqu’à trois kilomètres) de sédiments syn-rift, qui s’étagent de l’Éocène moyen jusqu’au Quaternaire. Il s’agit
d’argilites, de marnes, de grès et, plus rarement, de calcaires.
À Soultz, la couverture sédimentaire (Permien à Oligocène) présente une épaisseur de 1 400 m. Le secteur
3. Altération du granite de Soultz
et caractéristiques des fluides associés
Le granite est caractérisé par la présence de phénocristaux de feldspaths potassiques roses dans une
matrice composée de quartz, de plagioclase ainsi que
de biotite, de hornblende, de sphène, d’allanite et de
magnétite [6, 11]. Le granite a subi deux grands types
d’altération hydrothermale plus ou moins intense [6,
12] :
• une altération propylitique pervasive ; cette altération
se manifeste par les transformations partielles de
l’amphibole et de la biotite en chlorite, carbonate et
épidote ou hydrogrossulaire et du plagioclase en calcite
et corrensite ou illite ; cet épisode d’altération est attribué au refroidissement tardi-magmatique du massif à
des températures de 280 à 400 °C ; à Soultz, l’ensemble
du massif a été touché par l’altération propylitique et le
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terme de granite « sain » dénomme souvent, en fait, les
roches qui n’ont subi que cette phase d’altération ;
• des altérations plus tardives, dites « filoniennes », car
localisées autour des fractures du granite où les fluides
ont circulé [8, 10, 12, 20] ; l’intensité de l’altération et
de la fracturation est très hétérogène, mais peut aller
jusqu’à la formation de mylonite et la disparition de
tous les minéraux primaires du granite, sauf, généralement, du feldspath potassique et du quartz. Les phases
authigènes principales sont des micas blancs (illite, séricite), des carbonates (calcite, sidérite et ankérite), de la
corrensite, de la chlorite et du quartz néoformé. Plus
localement, le plagioclase peut être transformé en tosudite (interstratifié chlorite–smectite dioctaédrique), à
laquelle est intimement associée de la matière organique [13]. De nombreuses veines d’épaisseur variable
(micrométrique à décimétrique) à barytine, quartz, carbonates (ankérite et calcite), illite, hématite et/ou chlorite accompagnent l’altération « filonienne ».
4. Échantillonnage, méthodes
et résultats
L’échantillon de granite étudié (K109-2795) a été prélevé dans une zone de forte altération, située entre
1 641 et 1 642 m de profondeur (1 641,91 m). La biotite
y est complètement transformée en chlorite ou en un
assemblage de calcite, sidérite, mica blanc et oxydes. Le
plagioclase est transformé en chlorite. Les oxydes sont
abondants et donnent une couleur rouge à l’échantillon.
La localisation de ces transformations dans une zone de
cataclase qui s’accompagne d’un large réseau de veines
marque l’altération « filonienne » du granite.
Dans cette zone d’altération, plusieurs épisodes de
précipitation dans les fractures sont enregistrés par trois
types de veines. Dans l’échantillon étudié, ces trois
types de veines se sont développés le long d’une même
fracture et constituent un ensemble de 2 à 3 cm d’épaisseur (figure 1). On y distingue une veine de quartz
d’environ 1 cm d’épaisseur, une veine à ankérite et oxydes d’environ 5 mm d’épaisseur et un filonnet composé
de quartz automorphes d’environ 1 mm de large. Trois
zones de croissance au moins peuvent être distinguées
dans l’ankérite. La composition de l’ankérite varie de
CaMg0,79Fe0,18Mn0,03(CO3)2 à un carbonate très magnésien (CaMg0,96Fe0,03Mn0,01(CO3)2). Ces analyses montrent des compositions plus magnésiennes que celles
analysées antérieurement [10]. La veine à ankérite
recoupe la veine de quartz et on trouve parfois aussi
l’ankérite en colmatage de vides dans la veine de quartz
(figure 1) ; l’ankérite est donc clairement postérieure à la
veine de quartz. La position du filonnet de quartz ne
peut en revanche pas être précisée, quoique par analogie avec d’autres filonnets, il semble que le filonnet soit
postérieur à la veine à ankérite (figure 1).
Les inclusions ont été étudiées dans les trois types de
veine par microthermométrie sur une platine USGS
(FLUID INC). L’appareillage a été régulièrement calibré
par des inclusions fluides synthétiques (eau pure critique : température de fusion de la glace à 0,0 °C et température d’homogénéisation critique à 374,1 °C; inclusions à H2O–CO2 : température de fusion du CO2 à
– 56,6 °C). L’erreur de mesure est estimée à ± 0,1 °C à
basse température (< 20 °C) et à ± 0,4 °C vers 200 °C.
Veine de quartz
Le filonnet de quartz est composé d’au moins deux
générations de quartz. Les cristaux de la première génération sont directement au contact du granite altéré.
Ceux de la seconde génération, situés dans la partie
centrale du filonnet, sont des quartz géodiques ; quelques cavités résiduelles dues à un colmatage incomplet
Figure 1. Microphotographie de la lame étudiée (profondeur 1 641,91 m) et représentation interprétative des limites des veines de quartz,
d’ankérite et du filonnet de quartz (lumière polarisée analysée).
Figure 1. Microphotograph of the studied section (depth 1 641.91 m) and interpretative representation of the boundaries of the quartz vein,
ankerite vein and quartz veinlet.
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persistent. Les inclusions fluides ne peuvent être étudiées que dans la seconde génération de quartz. Les
inclusions sont relativement grandes (de moins de 2 µm
à 20 µm). Elles présentent des formes irrégulières et
comprennent deux phases (liquide + vapeur). Les températures de fusion de la glace sont comprises entre –32
et 0 °C, et les températures d’homogénéisation entre
120,5 et 200 °C (figure 2).
Filonnet de quartz
Avec une taille moyenne de 7–8 µm, les inclusions
présentent une forme ovoïde et sont biphasées
(liquide + vapeur) à température ambiante. Les mesures
microthermométriques montrent une température de
fusion de la glace de –6,6 à 0 °C, avec la plupart des
mesures entre –2 et 0 °C (figure 2). Les températures
d’homogénéisation sont comprises entre 140,5 et
148,0 °C (figure 2).
Veine d’ankérite
Les inclusions fluides associées aux différentes zones
de croissance visibles dans l’ankérite ont été étudiées.
Dans tous les cas, les inclusions sont ovoïdes et biphasées (liquide + vapeur). Les mesures microthermométriques montrent des températures de fusion de la glace
comprises entre –9,7 et +1 °C (figure 3). Les valeurs
supérieures à 0 °C, théoriquement impossibles, sont
Figure 3. Histogrammes des données microthermométriques dans
la veine d’ankérite.
Figure 3. Histograms of microthermometric data of the ankerite
veinlet.
vraisemblablement liées à des phénomènes de métastabilité (persistance d’une phase, ici la glace, en dehors
de son champ de stabilité théorique). Ce phénomène a
déjà été décrit pour les inclusions de faible salinité et de
températures de formation faibles à modérées [18]. Les
températures d’homogénéisation sont comprises entre
137,5 et 158 °C (figure 3).
5. Discussion
5.1. Quartz
Figure 2. Histogrammes des données microthermométriques dans
les veines et filonnet de quartz.
Figure 2. Histograms of microthermometric data of vein and veinlet of quartz.
Les températures d’homogénéisation des inclusions
fluides de la veine et du filonnet de quartz étudiés sont
essentiellement comprises entre 135 et 150 °C. L’intervalle de données est très resserré pour le filonnet (140,5
et 148,0 °C); pour la veine, en revanche, l’histogramme
est très étalé (entre 120,5 et 200 °C). Les fortes températures d’homogénéisation mesurées dans la veine pourraient être dues, soit à un élargissement des inclusions
(stretching), soit à la circulation d’un fluide de température variable. Cette dernière hypothèse est privilégiée
par une observation détaillée de la relation entre la
position géométrique, donc chronologique, des inclusions dans les cristaux en fonction de leur température
d’homogénéisation ; en effet, les plus fortes températures d’homogénéisation sont mesurées en bordure, donc
à un stade de croissance bien particulier.
L’intervalle de température déterminé dans notre
étude (135–150°C) est identique à celui obtenu dans les
veines de quartz étudiées jusqu’alors dans le granite de
Soultz [3, 12, 19] et, notamment, dans une veine voisine de celles que nous avons étudiées (profondeur
1 639 m) [3]. Les températures de piégeage calculées
sont de 144 à 159 °C pour une pression hydrostatique
estimée à 164 bars à une profondeur de 1 640 m. Cet
intervalle est compatible avec la valeur de la température mesurée dans le puits à la profondeur considérée
(142 °C) [3].
Les salinités déterminées à partir à des températures
de fusion de la glace [2] sont très variables. Trois gam-
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mes de salinités peuvent être distinguées : (i) des salinités d’environ 10 poids % éq. NaCl (température de
fusion de la glace de – 7 à – 8 °C), (ii) des salinités de
plus de 23 poids % éq. NaCl (température de fusion de
la glace < – 20 °C) et (iii) des salinités inférieures à
1 poids % éq. NaCl (température de fusion de la glace
proches de 0 °C). Pour mémoire, la salinité de l’eau de
mer est d’environ 3 poids % éq. NaCl.
On retrouve ici les gammes de salinité déjà mises en
évidence dans certaines zones d’altération du granite et
des sédiments sus-jacents. Une salinité de l’ordre de
10 %poids éq. NaCl est mesurée actuellement dans les
fluides des puits [17]. Les valeurs de plus de 23 %poids
éq. NaCl sont trouvées essentiellement dans des inclusions primaires et secondaires présentes dans des veines
de barytine situées au toit du granite : 1 038,9, 1 053 et
1 065 m [1]; 1 455 et 1 486 m [3]. Ce type de fluide
présente des caractères de saumures de fond de bassin
sédimentaire. Les fluides proches de 0 poids % éq. NaCl
pourraient correspondre à l’introduction dans le granite
d’eau météorique, à la faveur de l’ouverture rapide de
fractures.
5.2. Carbonates
Dans les ankérites de cette étude, les températures
d’homogénéisation forment un intervalle très serré (140
à 150 °C), montrant que les inclusions ont été très peu
perturbées depuis leur formation. Les températures
d’homogénéisation sont similaires à celles observées
dans les veines de quartz, ce qui correspond à la même
température de formation (144 à 159 °C). Les salinités
présentent deux groupes de valeurs, entre 8 et
14 poids % éq. NaCl, et autour de 0 poids % éq. NaCl.
On retrouve donc ici les salinités mesurées dans le
quartz, à l’exception des saumures de plus de
23 %poids éq. NaCl.
6. Conclusions
Les données obtenues sur les trois types de veines
observées dans la zone à 1 641–1 642 m corroborent
les études antérieures réalisées, soit sur un large intervalle de profondeurs [3], soit sur un filon polyphasé
[19]. Elles confirment l’uniformité des températures des
fluides liés aux différents épisodes de l’altération filonienne. Elles montrent ainsi que les carbonates se sont
formés dans des conditions de température tout à fait
similaires à celles du quartz. Les températures de formation sont conformes aux températures mesurées dans le
puits, ce qui attribue aux altérations une formation
récente, voire même encore actuelle. Ceci est corroboré
en ce qui concerne les carbonates par le fait que les
inclusions n’ont pas été perturbées depuis leur formation, alors que les inclusions des carbonates sont très
sensibles aux changements des conditions du milieu
[15]. Il est donc vraisemblable que des veines à quartz
[14] et à carbonates se forment encore dans le soubassement du fossé Rhénan.
Des variations importantes de salinité sont observées
dans les veines de quartz et dans les veines à carbonates, comme d’ailleurs dans les autres zones d’altération
étudiées. Ces variations ont d’abord été interprétées
comme le résultat d’un mélange à température constante et dans des proportions variables de saumures
équilibrées avec des évaporites et de l’eau météorique
[3]. Toutefois, les données isotopiques de détail obtenues dans la veine composite située à 2 174 m ne montrent aucune corrélation entre la signature isotopique et
la composition du fluide [19]. Les variations seraient
donc plutôt à attribuer à différentes sources de fluides
(météoriques, saumures de bassin...), pénétrant dans le
réseau de fractures selon des trajets et avec des temps
d’interaction avec le granite variables [19]. Ces considérations, de même que les indices probables de circulations parfois plus chaudes (veines de quartz de la présente étude) suggéreraient un mode de circulation pulsé
des fluides.
Remerciements. Ce travail a été financé par le projet DBT–INSU « Fluides dans la croûte » et le programme Ecodev. Nous remercions Jacques
Touret (Vrije Universiteit Amsterdam) pour la relecture critique du manuscrit et ses commentaires constructifs.
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