Cinétique de dissolution du verre basaltique : influence de la température, de l'oxygène dissous et des concentrations en silice à des pH compris entre neutre et basique

Résumé graphique de l'étude sur la cinétique de dissolution du verre basaltique selon la température, l'oxygène dissous et la silice — L’étude combine des expériences contrôlées de dissolution et des techniques d’analyse de surface afin de quantifier l’effet du pH, de la température, de l’oxygène dissous et de la silice aqueuse sur la réactivité du verre basaltique.

Points clés

Ce que montre l’étude

La vitesse de dissolution du verre basaltique augmente avec le pH entre les conditions circum-neutres et basiques, avec un ordre apparent de réaction vis-à-vis du pH de 0,35 ± 0,05.

Une concentration élevée en O₂ dissous diminue modérément la vitesse de dissolution, probablement par oxydation du Fe(II) et formation d’une interface passivante riche en Fe(III) et Si.

L’effet de la silice dissoute est beaucoup plus fort : l’augmentation de SiO₂(aq) entraîne une diminution exponentielle de la vitesse de dissolution.

Cette évolution n’est pas correctement reproduite par les lois classiques fondées sur la théorie de l’état de transition et est mieux décrite par un mécanisme contrôlé par nucléation.

Résumé

Comprendre ce qui contrôle réellement la réactivité du verre basaltique

Les basaltes jouent un rôle majeur dans les cycles géochimiques globaux et dans la consommation naturelle de CO₂ par altération. Leur forte réactivité explique également l’intérêt croissant des formations basaltiques pour le stockage minéral du carbone. Une compréhension précise de leur cinétique de dissolution est donc nécessaire pour prédire leur comportement à long terme.

Cette étude examine la dissolution d’un verre basaltique synthétique entre 30 et 90 °C, dans une gamme de pH comprise entre environ 6 et 10. Les expériences ont été réalisées sous différentes concentrations d’oxygène dissous et de silice aqueuse afin d’isoler l’effet de chacun de ces paramètres.

La réactivité de la surface a été quantifiée par interférométrie verticale à balayage (VSI), qui mesure directement le retrait de la surface du verre. Cette approche a été complétée par réflectivité des rayons X (XRR) et microscopie électronique en transmission (TEM) afin de caractériser les couches superficielles riches en silice formées au cours de l’altération.

Les résultats confirment l’accélération de la dissolution avec l’augmentation du pH et de la température. Les énergies d’activation déterminées sont de 91 kJ·mol⁻¹ à pH 6 et 80 kJ·mol⁻¹ à pH 9, conduisant à une valeur globale d’environ 84 kJ·mol⁻¹ dans la loi cinétique proposée.

L’effet le plus important concerne cependant la silice dissoute. Lorsque la concentration de SiO₂(aq) augmente, la vitesse de dissolution chute beaucoup plus rapidement que ce que prédisent les modèles thermodynamiques conventionnels. Cette observation conduit les auteurs à proposer une loi de vitesse fondée sur un mécanisme de dissolution contrôlé par nucléation à la surface altérée.

Résultat principal

La concentration en silice dissoute constitue un contrôle majeur de la réactivité du verre basaltique. La vitesse de dissolution diminue de façon exponentielle avec l’augmentation de SiO₂(aq), beaucoup plus fortement que ne le prédisent les lois classiques basées sur la théorie de l’état de transition. Dans les conditions étudiées, le comportement est mieux expliqué par un mécanisme contrôlé par nucléation au niveau de la surface altérée.

Résultats expérimentaux

pH, oxygène et silice contrôlent la vitesse de dissolution

Les expériences permettent de séparer l’effet de chacun des paramètres et montrent que leur importance relative diffère fortement : le pH et la température accélèrent la réaction, tandis que l’oxygène et surtout la silice dissoute peuvent limiter la dissolution.

Dépendance au pH n = 0,35 ± 0,05 Ordre apparent de réaction vis-à-vis du pH dans la gamme étudiée, sans dépendance nette à la température ou à l’oxygène dissous.

Effet de l’oxygène ≈ ×4 À 90 °C, les conditions oxiques réduisent la vitesse de dissolution d’environ un facteur quatre par rapport aux conditions hypoxiques.

SiO₂(aq) · 30 °C ÷40 Lorsque SiO₂(aq) augmente d’environ 7 µM à 0,9 mM, la vitesse de dissolution diminue d’environ quarante fois.

SiO₂(aq) · 60 °C jusqu’à ÷1000 Entre environ 10 µM et 3,9 mM de silice dissoute, la vitesse chute jusqu’à trois ordres de grandeur.

Preuves expérimentales

La silice dissoute provoque une chute fortement non linéaire de la réactivité

Les vitesses normalisées s’écartent nettement de la relation attendue dans un cadre classique de théorie de l’état de transition. À mesure que la solution se charge en silice, la dissolution ralentit beaucoup plus rapidement que prévu. La relation observée devient au contraire cohérente avec un modèle dans lequel la propagation de la dissolution dépend de la nucléation d’événements réactifs à la surface altérée.

Vitesses de dissolution du verre basaltique en fonction de la concentration en silice aqueuse et comparaison des modèles cinétiques — **Contrôle de la dissolution par la silice aqueuse** Vitesse de dissolution du verre basaltique en fonction de la concentration en SiO₂(aq) : (a) vitesse de dissolution mesurée ; (b) vitesse normalisée r/r⁺ en fonction de [SiO₂(aq)]/K_SiO₂(am) ; (c) log(r/r⁺) en fonction de ce même rapport ; et (d) ln(r/r⁺) en fonction de 1/|ln([SiO₂(aq)]/K_SiO₂(am))|. Les cercles blancs correspondent aux expériences à 30 °C et les cercles rouges à celles réalisées à 60 °C. La forte relation linéaire observée dans le panneau (d) soutient un mécanisme de dissolution contrôlé par nucléation plutôt qu’une dépendance classique fondée sur la théorie de l’état de transition.

Signification géochimique

Pourquoi cela compte pour les interactions eau–basalte et le stockage du CO₂

Les modèles utilisant des vitesses mesurées loin de l’équilibre peuvent fortement surestimer la dissolution du verre basaltique lorsque les eaux sont déjà enrichies en silice. L’étude estime qu’à seulement 0,1 mmol·L⁻¹ de SiO₂(aq), une vitesse loin de l’équilibre peut surestimer la dissolution d’environ un facteur cinq. Dans des aquifères basaltiques plus riches en silice, l’écart peut atteindre un à deux ordres de grandeur. Une description plus réaliste de cette inhibition est donc importante pour prédire l’altération des basaltes, les flux d’éléments dans les aquifères et les océans, ainsi que la libération des cations nécessaires à la minéralisation du CO₂ dans les systèmes de stockage géologique.

Publication

Référence scientifique

Citation

Bas-Lorillot, J., Yunda, E., Pusztai, A., Ménez, B., Perez, A., Tardif, S., Testemale, D., Guyot, F., Cabié, M., Gérard, E., Daval, D. (2026). Dissolution kinetics of basaltic glass: The effect of temperature, dissolved oxygen and silica concentrations under circum-neutral to basic pH. Chemical Geology, 713, 123433.

DOI : 10.1016/j.chemgeo.2026.123433

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