Pockmarks (M. Francoise)

Projet de Matéo Francoise, par Adele Giobbini et Audrey Rouchon.

26/01/2024 :

Les pockmarks sont des cratères (dépressions) situées sur le fond marin, pouvant atteindre 350m de diamètre, 35m de profondeur et une densité de 160/km2 (Belfast Bay, Maine). Ils sont formés par l’échappement de fluides/ gaz naturel biogénique vers la surface, créant ainsi des cratères.

Matériel :

cristallisoir (le plus gros)
bicarbonate de sodium NaHCO3
acide (citrique ? À commander ?) C6H8O7
sable (pour sédiment effervescent)
sable (+ argile) (pour fond marin)
eau

Protocole :

Pour un kilogramme de sable effervescent :

Dans un récipient, on mélange 100g d’acide citrique, 50g de bicarbonate de sodium et 850g de sable.

Pour le sable « fond marin »:

Nous allons tester différentes méthodes :

du sable seul (de différentes granulométries)
du sable fin avec de l’argile (nous testerons plusieurs proportions)

Problème : si le fond du cristallisoir est tapissé de sable effervescent, le gaz risque de s’échapper vers les bords du cristallisoir et ne formera pas de pockmarks. Pour remédier à cela, nous laisserons une bande de sable non effervescent tout autour du sable effervescent, pour contrer cet effet. Nous testerons plusieurs largeurs de bande.

Dans le cristallisoir, mettre 1 cm de sable effervescent (85% de sédiment, ici, le sable; 10% d’acide citrique et 5% de bicarbonate de soude) : en effet, la masse molaire de l’acide citrique est de 176,12 g/mol, et celle du bicarbonate de sodium est de 84 g/mol. On a donc presque un facteur de 1 à 2 (84 / 176,12 = 0,48), donc il faut presque deux fois plus de masse d’acide citrique que de bicarbonate de sodium pour respecter les coefficients molaires de la réaction acido-basique.

NaHCO₃ + R-COOH

{\ce {->}}

CO₂ + H₂O + RCOO⁻ + Na⁺

On observe donc une libération de CO2, qui permet de reconstituer la libération de gaz, nécessaire à la formation des PockMarks.

Puis, mettre 3 cm de sable fin (pour reconstituer le fond marin).

Enfin, recouvrir d’eau.

Problème : pour filmer, toujours à la même hauteur et au même angle, il nous faut un trépied.

02/02/2024 :

Informations :

Giant sea-bed pockmarks: Evidence for gas escape from Belfast Bay, Maine: https://pubs.geoscienceworld.org/gsa/geology/article-abstract/22/1/59/205977/Giant-sea-bed-pockmarks-Evidence-for-gas-escape

https://fr.wikipedia.org/wiki/Pockmark

https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/pockmark

A la place du bicarbonate de sodium, nous utilisons du carbonate de potassium (K2CO3). Cela change donc nos calculs car la masse molaire n’est pas la même :

Masse molaire du carbonate de potassium : 138 g/mol

Masse molaire de l’acide citrique : 176 g/mol

Donc on environ un facteur de 0,8 : nous avons donc mis 1 gramme d’acide citrique pour 0,8 gramme de carbonate de potassium pour respecter le coefficient stœchiométrique.

Protocole :

Pour cette première expérience, nous avons utilisé :

béchers
cristallisoir
acide citrique
carbonate de potassium
eau minérale
spatule
cuillère
microbalance
papier pH
aluminium
sable

Premièrement, nous avons faire une première expérience pour tester si l’effervescent fonctionnait. Nous avons mélangé 8 grammes de carbonate de potassium et 10 grammes d’acide citrique. La réaction a fonctionné 👍(ça fé dé bulles). Nous avons vérifié si tout l’acide avait été neutralisé, grâce au papier pH : affirmatif (pH de 6).

Puis, nous avons testé une première expérience, en mettant une couche de sable effervescent (un volume de mélange effervescent (acide citrique + carbonate de potassium) pour deux volumes de sable fin sec), puis une couche de sable fin sans mélange effervescent, que nous avons enfin recouvert d’eau :

Mélange effervescent + sable.

Couche de sable effervescent + grosse couche de sable fin.

Bubulle.

Nous avons pu voir du positif :

nous avons mis de l’effervescent sur tout le fond du cristallisoir et l’air ne s’est pas échappé sur les cotés
L’air s’est bien échappé et est remonté à travers les sédiments
à la fin de l’expérience, nous avons testé le pH : l’acide a bien été neutralisé car le pH était de 6. Cela signifie une que le sable, une fois séché, pourra être réutilisé pour cette expérience.

Nous avons rencontrer certains problèmes :

comment verser l’eau ?
comment faire pour que l’eau ne soit pas trouble ?
Sûrement trop de mélange effervescent
pas vraiment de formation de pockmarks (certains petits « cratères »)

Remontée d’une bulle.

Vers la fin de la réaction effervescente, nous pouvons observer des marques à la surface du sédiment.

9/02/2024 :

Le sable que nous avions laissé à sécher la semaine dernière est devenu un sable « kinétique » : les grains étaient assez cohésifs.

Nous avons donc essayé avec ce sable là, car un problème que nous avions pu rencontrer avec le sable fin était que celui ci s’affaissait tout de suite sans laisser de cratère visible.

Dans cette deuxième expérience, nous avons utilisé :

béchers
bécher avec du scotch (pour verser l’eau)
cristallisoir
acide citrique
carbonate de potassium
eau minérale
spatule
cuillère
balance
papier pH
sable kinétique (recyclé de la semaine précédente)

Cette fois ci, nous avons mis moins d’effervescent car nous avions vu la semaine dernière que ça bullait trop. Nous avons mis 5g d’acide citrique et 4g de carbonate de potassium.

Nous avons mis du sable kinétique, dans l’espoir de pallier à l’effet d’effondrement.

Pour les problèmes de versement d’eau, nous avons essayé de fabriquer un arrosoir avec un bécher et du scotch.

Update : fail.

Nous avons réessayé avec des plus gros trous, et c’est le prototype que nous avons utilisé pour l’expérience 2.

Update : le versement était trop puissant et à remanié le sédiment: gros fail.

Les résultats, autrement, étaient sensiblement similaires aux expériences de la semaine. L’effervescence était toujours trop forte et le sable ne gardait toujours pas les cratères.

Pour cette troisième expérience, cette fois-ci avec du sable « normal » (non kinétique) qui avait été humidifié puis séché, mais qui était encore un peu humide ce qui fait qu’il était plus dense (on s’est dit que les cratères allaient peut être être plus visibles, mais surtout c’était plus pratique pour mieux répartir le mélange effervescent).

Nous avons mis encore moins d’effervescent : 1g d’acide citrique et 0,8g de carbonate de potassium.

Protocole :

béchers
cristallisoir
acide citrique
carbonate de potassium
eau minérale
spatule
cuillère
balance
papier pH
sable légèrement humide

Nous avons fait comme précédemment : nous avons mélangé le mélange effervescent avec du sable pour la partie inférieure puis nous avons recouvert d’une bonne couche de sable. Nous avons essayé une autre technique pour verser l’eau : juste le bréchet, sans scotch, mais très rapidement. Cela a un peu remanié les sédiments supérieurs, ils se sont redéposés ensuite de façon non uniforme : fail.

Comme précédemment, le sable ne tenait pas : les cratères ne se formaient pas. La forme que nous pouvons observer est due au versement de l’eau. Par contre, la dose d’effervescent était correcte : un peu de bulles bien comme il faut (peut etre meme pas assez mais mieux vaut parfois). En effet, l’eau en surface était donc moins trouble et nous voyons mieux ce qu’ils e passait).

Nous avons essayé une autre fois de créer un arrosoir : ça ne coulait pas super bien mais bon ça va. Par contre…

Cassé.

Nous avons donc abandonné l’idée arrosoir pour trouver des alternatives. Nous avons essayé avec une seringue et cela semble fonctionner plutôt bien.

Pour cette quatrième expérience, nous avons cherché à trouver une alternative au sable uniquement : nous avons mélangé donc 1/3 d’argile (42g) avec 2/3 de sable (84g). Nous avons aussi mis le mélange effervescent juste au centre.

Nous avons utilisé :

béchers
cristallisoir
acide citrique
carbonate de potassium
eau minérale
spatule
cuillère
balance
papier pH
sable légèrement humide
argile verte (illite)
seringue

Nous avons comme précédemment mis une couche de sable (ici mélangé à de l’argile) avec du mélange effervescent, puis une couche de sable- argile.

Cette fois ci, sûrement à cause du fait que nous avions mis l’effervescent majoritairement au centre, ce qui a créé un maxi cratère/ volcan !

Et pouf plus de dinos.

CRATEEEEEEEEERE !!!!!!!!!

L’argile permet de garder la forme du cratère, et l’eau pénètre tout de même. C’est peut être un peu trop impressionnant pour un pockmark.

PB :

il faut changer la dose de notre mélange effervescent car pas la bonne masse molaire
Il faut trouver comment recycler le sable-argile
notre modèle ne représente pas super bien la réalité car en réalité, les pockmarks sont plutôt des dépressions liées à l’affaissement du sédiment (car la glace fond et laisse un trou), et non pas des cratères.
Il est difficile de mesurer le pH dans notre dernière expérience, l’eau de surface étant verte car mélangée à l’illite, le papier pH devient vert (il faudrait attendre plusieurs heure que l’argile sédimente: flemme).

16/02/2024:

Nous avons recalculé notre équation pour le mélange car nous avons changé de carbonate sans revérifier l’équation. Nous nous sommes rendu compte que les coefficients stœchiométriques avaient changé et qu’il fallait 3 moles de carbonate de potassium pour 2 moles d’acide citrique. Il faut donc mettre 0,96g d’acide pour 1g de carbonate, plutôt que 1g d’acide pour 0,8g de carbonate comme nous faisions précédemment.

3 K2CO3 + 2 C6H8O7 <-> 2 C6H5K3O7 + 3 H2O + 3 CO2

La masse molaire du carbonate de potassium est de 138,2 g/moles et celle de l’acide citrique est de de 192,1. Pour refaire l’équation en respectant les coefficients, il faut donc 414,6 grammes de carbonates et 384,2 d’acide, soit 1g de carbonate et 0,96 d’acide pour environ 2 grammes d’effervescent. Nous avons calculé pour 2 grammes d’effervescents car nous avons vu dans les expériences précédentes que c’était la quantité la plus adapté pour le moment.

Nous avons aussi lavé l’argile-sable de la semaine précédente, et comme le sable est plus gros et sédimente plus vite, nous avons pu faire un tri granulométrique à l’eau (malheureusement, nous n’avons pas pu conserver tout l’argile, uniquement l’argile de surface).

Pour cette cinquième expérience, nous allons donc utiliser ces nouvelles quantité pour le mélange effervescent, et garder la meme proportion d’argile- sable (1/3 et 2/3). Nous allons cependant mettre du mélange effervescent partout sur le fond (et non pas que au centre).

Protocole :

béchers
cristallisoir
acide citrique
carbonate de potassium
eau minérale
spatule
cuillère
balance
papier pH
sable légèrement humide
argile verte (illite)
seringue

Nous avons utilisé 50g d’argile pour 100g de sable humide de la semaine précédente.

Mélange sable-argile : l’argile n’a pas été broyée assez finement, nous avons tout de même essayé comme car : mais le relief en lien avec la réaction a été quelque peu caché par ces gros cailloux de surface.

La façon dont j’ai versé l’eau a aussi laissé une trace en surface : cette expérience était un peu un fail.

Il n’y a cette fois ci sûrement pas assez d’effervescent ou trop de sédiments : même si nous avons mis du mélange effervescent partout sur le fond, nous n’avons overseer de cratère qu’au centre (2 cratères).

Nous avons utilisé un autre papier pH, qui, avec notre nouvelle équation, nous permet d’obtenir une réaction à pH 7 !

A gauche, pH de l’acide citrique. Au centre, pH de l’expérience 5 (à la fin de l’expérience). A droite, pH du carbonate de potassium.

Pour régler le problème de l’argile, nous l’avons tamisée et nous avons re-broyé les gros cailloux. Nous avons aussi mélangé le reste d’argile de la semaine précédente à notre poudre d’argile (recyclage ou quoi).

Pour cette sixième expérience, nous avons doublé les doses de mélange effervescent (2g de carbonate de potassium et 1,92g d’acide citrique).

Nous avons utilisé :

béchers
cristallisoir
acide citrique
carbonate de potassium
eau minérale
spatule
cuillère
balance
papier pH
sable légèrement humide
sable sec
argile verte (illite)
seringue

Pour la partie inférieure, nous avons mélangé le mélange effervescent avec 25g de sable humide. Puis, nous avons mis 75g de sable sec et 50g d’argile pour la partie supérieure. Le problème était que sans l’argile, le sable humide a déjà réagit avec le mélange effervescent (car avant l’argile absorbait l’humidité).

Nous avons pu observer un seul cratère se former : cela est du peut être au fait que nous n’avions pas mis d’argile dans la couche inférieure et que donc une couche « de gaz » s’est formée entre nos deux couches.

Il serait peut être utile de broyer notre mélange effervescent : nous nous sommes rendu compte que toutes les billes de carbonate de potassium n’étaient pas en contact avec toutes les billes d’acide citrique, et que donc a la fin de notre réaction, lorsque nous mélangions, la réaction recommençait.

Pour cette septième expérience, nous avons utilisé uniquement du sable sec pour contrer l’effet de l’effervescent qui commençait avant avec le sable humide. Nous avons aussi mis de l’argile partout pout homogénéiser les deux couches et pas qu’une couche de gaz se forme entre les deux.

Nous avons utilisé:

béchers
cristallisoir
acide citrique
carbonate de potassium
eau minérale
spatule
cuillère
balance
papier pH
sable sec
argile verte (illite)
seringue

Nous avons mis 100g de sable sec et 50g d’argile. Nous en avons versé une petite partie pour faire le fond (avec des l’effervescent mélangé) puis le reste par dessus. L’effervescent était de 2g-1,92g.

CRATÈRES !

Nous avons toujours ce problème de gaz qui reste coincé, mais tout de même un peu moins.

Pour cette huitième expérience, nous avons essayé de faire un réplicat de l’expérience précédente : même quantité de mélange effervescent (broyé au mortier), même quantité d’argile-sable, nous avons versé l’eau de la même façon.

Nous avons utilisé:

béchers
cristallisoir
acide citrique (1,92g)
carbonate de potassium (2g)
eau minérale
spatule
cuillère
balance
papier pH
sable sec (100g)
argile verte (illite) (50g)
seringue

Problèmes : L’eau a eu du mal a descendre jusqu’au mélange effervescent et nous avons eu pas mal de gaz coincé : peut être utiliser moins d’argile la prochaine fois car cela fait une couche trop étanche, à la fois pour l’eau et pour le gaz.

Nous avons tout de même eu quelques cratères au début, qui se sont vite transformés en un seul gros cratère à cause du gaz coincé.

Oh tiens gros cratère.

01/03/2024 :

Nous avons réussi à récupérer le sable d’il y a 3 semaines (sable mélangé avec de l’argile avec l’argile qui a pu être extraite lors de la séance précédente):

(Ce sable là)

Photo sable sec

Voici une comparaison entre nos pockmarks et les pockmarks trouvés dans la nature :

Pockmarks de ARTICLE

Photo des pockmarks que nous avons obtenus en laboratoire.

En arrivant au labo, nous avons mis a chauffer le mélange sable-argile de la séance précédente, pour essayer de récupérer l’argile sèche d’un coté, et le sable de l’autre.

Puis, nous avons re-broyé de l’argile.

Pour cette neuvième expérience, nous avons utilisé 2g carbonate de potassium et 1,92 d’acide citrique.

Nous broyons aussi ce mélange effervescent pour l’homogénéiser (éviter que certains grains de carbonate de potassium et d’acide citrique ne se touchent pas).

Nous allons aussi essayer de mettre moins d’argile pour contrer la couche de gaz qui se forme : 25g d’argile pour 100g de sable.

Nous allons donc faire :

une couche sable-argile-mélange effervescent broyé
une couche sable-argile

Nous avons utilisé:

béchers
cristallisoir
acide citrique (1,92g)
carbonate de potassium (2g)
eau minérale
spatule
cuillère
balance
papier pH
sable sec (100g)
argile verte (illite) (25g)
seringue

Nous avons donc fait mis ces deux couches dans un cristallisoir et nous avons versé l’eau avec la seringue.

Les résultats n’étaient pas phénoménaux : nous n’avions pas assez d’argile pour que les pockmarks tiennent.

Problème : plus assez d’argile. Les bulles n’étaient pas très fortes.

La réaction a été neutralisée.

Pour cette dixième expérience, nous avons diminué de 25% les quantités de sédiment :

100g de sable -> 75g

50g de sable -> 37,5g

Nous avons utilisé 2g de carbonate de potassium et 1,92g d’acide citrique.

Nous avons fait une couche sable-argile-effervescent et une autre couche plus épaisse sable-argile.

Nous avons utilisé:

béchers
cristallisoir
acide citrique (1,92g)
carbonate de potassium (2g)
eau minérale
spatule
cuillère
balance
papier pH
sable sec (75g)
argile verte (illite) (37,5g)
seringue

La quantité de sédiment nous semble plutôt correcte, le gaz restait moins coincé (il avait moins de trajet à remonter).

Problème : notre méthode pour verser l’eau fait arriver l’eau d’abord sur les cotés. C’est donc là que se sont formés les pockmarks (qui se sont donc formés plus vite car ils avaient moins de sédiment à remonter). L’eau ne descends pas jusqu’en bas.

Il faut donc qu’on trouve un moyen pour que l’eau soit uniformément repartie.

La réaction a été neutralisée.

Pour cette onzième expérience, nous avons mis 75g de sable et 37,5g d’argile. Nous avons mis cependant le double de l’effervescent. Nous avons aussi essayé de mieux verser l’eau avec la seringue.

Nous avons utilisé:

béchers
cristallisoir
acide citrique (3,84g)
carbonate de potassium (4g)
eau minérale
spatule
cuillère
balance
papier pH
sable sec (75g)
argile verte (illite) (37,5g)
seringue

Nous avons réussi à obtenir de super pockmarks. L’eau ne s’est pas uniformément réparti (elle a atteint seulement le centre).

Nous allons essayer de la refaire la semaine prochaine.

Nous avons aussi recyclé notre argile-sable. La mixture de la séance précédente que nous avions mis à sécher au « four » n’a pas vraiment bien séché : nous l’avons remélangé à notre mélange sable-argile de aujourd’hui.