Depuis le milieu des années 90, la minéralisation in situ du CO2 est envisagée comme une solution durable et efficace pour limiter ses émissions anthropiques vers l'atmosphère. Il s'agit de récupérer le CO2 émis par certaines industries pour le piéger en profondeur sous forme minérale (carbonates) dans les aquifères mafiques et ultramafiques naturels (de type basaltes et péridotites). La carbonatation du CO2 a été largement décrite dans les systèmes naturels où elle apparait à travers une série de réactions chimiques couplées au transport des espèces réactives dans le fluide. Plusieurs expériences en réacteurs fermés ont été menées depuis une quinzaine d'années afin de mieux comprendre les paramètres physico-chimiques contrôlant ces réactions. Mais très peu d'études n'ont encore caractérisé les processus de transport-réactif au cours de l'injection et de la minéralisation in situ du CO2 dans ces roches.Ces travaux visent à répondre à 3 principaux objectifs : (i) caractériser l'évolution des chemins réactifs lors de l'injection de CO2 dans des roches (ultra-)mafiques, (ii) mesurer les effets en retour des réactions sur les propriétés hydrodynamiques du milieu et (iii) quantifier le rendement et la pérennité des processus sur le long terme. Ils s'appuient sur le développement de protocoles expérimentaux pour (i) reproduire l'injection de CO2 dans les roches (ultra-)mafiques et (ii) caractériser les réactions à l'aide d'une série d'outils géochimiques et analytiques de l'échelle atomique à centimétrique. Trois séries d'expériences de percolation réactive ont été réalisé sur des agrégats (ultra-)mafiques relativement simples (olivines de San Carlos et d'Hawaii) et plus complexes (basaltes de Stapafell) dans des conditions de P-T-confinement in situ (Ptot=10-25 MPa ; T=180-185°C;Pconf=15-28 MPa).Les résultats obtenus ont permis de différencier plusieurs chemins réactifs dans ces systèmes en fonction du transport du fluide, de la porosité du milieu, des hétérogénéités locales de la roche, de la minéralogie et/ou des variations locales de la composition chimique du fluide. Les calculs du bilan de masse ont révélé une minéralisation efficace du CO2 contrôlée par les propriétés chimiques et hydrodynamiques du milieu. Mais certaines réactions associées à l'altération des roches (ultra-)mafiques (hydratation) ont des effets en retour négatifs sur les propriétés réservoirs de la roche (porosité, perméabilité) pouvant compromettre la pérennité du stockage du CO2 dans les aquifères naturels sur le long terme.Ces nouvelles données permettront aux modèles numériques de mieux simuler la carbonatation des roches (ultra-)mafiques en connaissant les propriétés hydrodynamiques du milieu et les hétérogénéités structurales du réservoir. Elles suggèrent aussi qu'un meilleur contrôle de certains paramètres d'injection, comme le débit ou la composition du fluide injecté (ex: pCO2), permettrait d'améliorer le taux et le rendement de la carbonatation. / Since the mid-90s, in situ mineralization of CO2 has been considered as a safe and efficient solution to mitigate its anthropogenic emissions to the atmosphere. It is to recover the CO2 emitted by some industries and trap it in the mineral form (carbonates) in mafic and ultramafic aquifers (e.g. basalts and peridotites). The carbonation of CO2 has been widely described in natural systems where it occurs through a series of complex chemical reactions coupled to the transport of reactive species in the fluid. Numerous experiments have been conducted in batch reactors over the past fifteen years to better understand the physico-chemical parameters controlling the carbonation of (ultra-)mafic rocks. But few studies have further characterized the coupling reactive-transport processes during the injection and in situ mineralization of CO2 in these rocks.This work aims to meet 3 main objectives: (i) characterize changes in reaction paths during the injection of CO2 in (ultra-)mafic systems, (ii) measure the feedbacks effects of chemical reactions on the hydrodynamic rock properties and (iii) quantify the efficiency and sustainability of such processes over long time periods. It is based on the development of experimental protocols to (i) reproduce the injection of CO2 into (ultra-)mafic rocks and (ii) characterize the reactions using a series of geochemical and analytical tools from the atomic to the centimetric scale. Three series of reactive percolation experiments have been performed on (ultra-)mafic aggregates from relatively simple (olivines from San Carlos and Hawaii) to more complex samples (basalts from Stapafell) under in situ P-T-containment conditions (Ptot=10-25 MPa; T=180-185°C; Pcont=15-28 MPa).The results allowed us to differentiate several reactions paths in these systems depending on the fluid transport, rock porosity, local hydrodynamic properties, mineralogy and/or local changes in the fluid composition. Mass balance calculations have revealed an efficient mineralization of CO2 in the samples. It is controlled by the chemical and the hydrodynamic properties of the rock at the pore scale. But some reactions associated with the alteration of (ultra-)mafic rocks (e.g. hydration) have negative feedbacks effects on the reservoir rock properties (porosity and permeability) that may compromise the sustainability of CO2 storage in natural aquifers in the long term.These new supporting data will allow numerical models to better simulate the carbonation of (ultra-)mafic rocks knowing the hydrodynamic properties and the structural heterogeneities of the reservoir. They also suggest that a better control of some injection parameters, such as the flow injection rate and the injected fluid composition (e.g. pCO2), would improve the rate and yield of CO2 mineralization in these systems.

La plupart des gisements de Ni-Cu sont issus de magmas komatiitique ou tholéiitique associés à des panaches mantelliques. Leur genèse fait intervenir l’exsolution d’un liquide sulfuré immiscible, l’interaction entre les liquides silicaté et sulfuré afin de concentrer ce-dernier en éléments chalcophiles, et l’accumulation du liquide sulfuré en quantités économiques. La saturation en sulfure est généralement atteinte en réduisant la solubilité des sulfures. Celle-ci se fait par assimilation de roches encaissantes siliceuses et/ou sulfurés.Le dyke d’Älgliden de la ceinture de Skellefte, en Suède, contient des sulfures de Cu et Ni dont les quantités ne sont actuellement pas économiques. La minéralisation d’Älgliden est atypique dans la mesure où elle contient d’importantes teneurs en Au, elle a un faible rapport Ni/Cu et enfin est formé dans un contexte de subduction. Le dyke recoupe un gisement porphyrique à Cu-Au contenant des sulfures ce qui laisse suggérer que la minéralisation d’Älgliden est formée par assimilation.Les objectifs de ce projet de recherche étaient d’examiner les processus de formation de la minéralisation d’Älgliden et son potentiel minier ainsi que de mieux comprendre la formation des gisements à Ni-Cu en contexte de subduction. Ce travail inclut l’étude pétrologique du minerai et de ses roches hôtes, la détermination de compositions minérales, l’analyse des éléments majeurs et traces sur roche totale et enfin des analyses des isotopes du soufre. Ce projet a été financé par la compagnie Boliden qui détient le gisement d’Älgliden.Le dyke est composé en majeure partie de norite à olivines, et minoritairement de leucogabbros. Les compositions sur roches totales, les textures magmatiques et les compositions minérales suggèrent que les norites à olivine se sont formées par accumulation d’olivine tandis que les leucogabbros représentent des liquides résiduels avec ou sans cristaux cumulus de plagioclase ± orthopyroxene. Les norites sont interprétées comme étant formées par une ou deux injections de bouillie cristalline suivie de cristallisation fractionnée. Le magma parent des roches d’Älgliden était un basalte hydraté et évolué dont la teneur en MgO est estimé à 6%.Le minerai sulfuré est principalement disséminé à travers l’ensemble de l’intrusion d’Älgliden. Quelques concentrations modérées de minerai se présentent sous la forme de sulfures en réseaux, de veines de sulfures et de sulfures massifs, lesquelles sont spatialement associées aux leucogabbros et aux xénolites de l’encaissant. L’association entre les leucogabbros et les concentrations en sulfures, leur faible teneur en métaux et leur faible rapport Ni/Cu suggèrent que la phase sulfuré s’est exsolvée tardivement au cours de la différentiation magmatique. Ce timing semble défavorable pour la minéralisation d’Älgliden puisqu’il inhibe à la fois l’interaction entre les liquides silicaté et sulfuré et l’accumulation du liquide sulfuré.La contamination du magma d’Älgliden par son encaissant n’est pas corroboré par les concentrations en élément trace et les compositions isotopiques du soufre. En revanche, ces données indiquent que le magma d’Älgliden s’est mis en place dans une zone de subduction où l’on pense que la saturation en sulfure a été atteinte par réduction d’un magma oxydé et riche en élément volatiles, via la cristallisation de magnétite et/ou dégazage. Les valeurs positives de δ34S suggèrent que l’apport de matériel dérivé du slab est responsable du caractère oxydé du magma d’Älgliden.L’état d’oxydation des magmas d’arc leur permet de dissoudre de grandes quantités de S et d’Au. Leur caractère évolué est responsable de leur fortes concentrations relatives en Au et leur faible rapport Ni/Cu. Ainsi, en contexte subduction les sulfures magmatiques sont susceptibles d’avoir ces caractéristiques, et si l’exsolution du liquide sulfuré a lieu plus tôt que dans le cas d’Älgliden cela pourrait conduire à la formation de gisements économiques. / Most major sulfide Ni-Cu deposits originated from komatiitic or tholeiitic magmas that formed in association with mantle plumes. Their genesis involves the segregation of a immiscible sulfide liquid, reaction of the sulfide liquid with silicate melt to upgrade the sulfide in chalcophile elements, and the concentration of the sulfide liquid in economic amounts. Saturation in sulfide is commonly achieved by lowering the sulfide solubility via assimilation of siliceous wall rock or by increasing the S content by adding S-bearing materials.The Älgliden dike in the Skellefte Belt in Sweden contains currently uneconomic Ni-Cu sulfide mineralization. The Älgliden mineralization is atypical insofar as it contains a significant amount of Au, has a low Ni/Cu ratio and formed in a subduction-related geodynamic setting. The host intrusion intrudes sulfide-bearing Cu-Au porphyry mineralization which led to the suggestion that the Älgliden Ni-Cu-Au mineralization was linked to the assimilation of sulfide-bearing wall rocks.The goals of this research project were to investigate the ore forming processes of the Älgliden mineralization and its ore potential, as well as to improve our understanding of the genesis of Ni-Cu deposits in subduction zones. The work is based on a petrological study of the ore and its host rocks, determination of mineral compositions, analyses of major and trace elements in bulk rocks, and sulfur isotope analyses. This was supported by the Boliden company which owns the deposit.The dike is composed mainly of olivine norites with minor leucogabbros. Bulk rock compositions, magmatic textures and mineral compositions suggest that the olivine norites formed by accumulation of olivine and that the leucogabbros represent residual melts with or without cumulus plagioclase ± orthopyroxene. The norites are interpreted to form by one or two injections of an olivine-rich crystal mush and subsequent fractional crystallization. The parental melt of the Älgliden rocks was a hydrous and evolved basalt estimated to contain ≈6 wt.% MgO.The sulfide ore is mainly disseminated throughout the whole Älgliden intrusion. Some weak ore concentrations occur as network to vein and massive sulfides that are spatially associated with the leucogabbros and wallrock xenoliths. The association between the leucogabbros and the concentrations of sulfide, their low ore grade and Ni/Cu ratio suggest that the sulfide segregated late in the differentiation process. This timing appears unfavorable for the Älgliden mineralization because it inhibited both sulfide-silicate liquid interaction and the accumulation of sulfide.Contamination of the Älgliden magma by its wall rocks is not supported by trace element data and S isotope compositions. Instead these data indicate that the Älgliden magma was emplaced above a subduction zone where the sulfide saturation is thought to occur by reduction of the oxidized and volatile-rich magma by magnetite fractionation and/or by degassing. Positive δ34S values suggest addition of slab-derived material which is thought to be responsible for the oxidized character of the Älgliden magma.The oxidation state of arc magmas allows them to carry large amounts of S and Au. Their evolved character is also responsible for their relatively high Au contents and low Ni/Cu. Such characteristics are likely to occur in magmatic sulfide mineralization in subduction zone settings, and if sulfide liquid segregation had occurred earlier than at Älgliden the process may have produced economic sulfide deposits.