Enrichissement en métaux rares au stade magmatique: objectifs de la thèse

Nous avons vu précédemment que de nombreuses études expérimentales ont permis d’identifier et de mieux comprendre les processus de formation des magmas alcalins et des magmas carbonatés. Elles ont permis de mettre en évidence la richesse en éléments incompatibles des magmas parents, ainsi que la nécessité de certains éléments volatils pour leur formation.

Les carbonatites sont les roches les plus enrichies en REE ; cependant, certaines carbonatites naturelles de compositions similaires présentent de fortes concentrations en métaux rares et d’autres non. L’enrichissement primaire, c’est-à-dire magmatique, en métaux rares des magmas carbonatés à l’origine de ces roches est très mal contraint dans les roches naturelles (Chakhmouradian and Zaitsev, 2012; Smith et al., 2016; Verplanck et al., 2016) car les processus tardi- et post-magmatiques ne permettent pas d’en conserver la trace . De même, les études expérimentales ne permettent pas encore de mettre en évidence les conditions optimales d’enrichissement de ces roches au stade magmatique. Les travaux d’immiscibilité entre liquides silicatés et carbonatés évoqués précédemment ont montré l’existence d’un vaste champ de composition chimique de ces deux liquides coexistant à l’équilibre, et notamment pour des gammes de compositions riches en éléments alcalins. L’immiscibilité entre liquides alcalins silicatés et liquides carbonatés implique des conditions de pression et de température mantelliques et crustales, correspondant aux conditions de formation des magmas alcalins et de leur différenciation. Plusieurs paramètres doivent influencer fortement l’enrichissement initial en métaux rares d’un liquide carbonaté immiscible avec un liquide silicaté alcalin:

- Le partage des éléments entre les deux liquides: comment se répartissent les REE et autres métaux rares entre un liquide carbonaté et un liquide alcalin silicaté?

- La différenciation de ces magmas : comment évolue le partage de ces éléments entre les deux liquides au cours de leur différenciation? Quelle est l’influence de leur composition chimique ?

- la cristallisation : comment évoluent les partages des métaux rares entre les cristaux formés et les liquides silicatés/carbonatés ?

- Les volatils : quel est l’impact des éléments volatils (CO2, H2O, F, Cl, P) sur l’enrichissement de ces magmas ?

Les paramètres contrôlant l’enrichissement en métaux rares au cours de la formation des magmas alcalins et des carbonatites n’ont pas encore été ciblés.

L’objectif de ce travail de thèse est d’évaluer par une approche expérimentale l’enrichissement en métaux rares des magmas alcalins et des carbonatites au cours de leur différenciation. L’outil expérimental permet de reproduire les conditions de pression et de température de formation de ces magmas, dans le but de comprendre le comportement de ces métaux entre les différentes phases cristallines, les liquides carbonatés et les liquides silicatés, afin notamment de caractériser les conditions optimales d’enrichissement des liquides carbonatés à l’origine des carbonatites. Pour cela des expériences de cristallisation et d’immiscibilité entre liquides silicatés alcalins sous-saturés en silice et liquides carbonatés ont été réalisées, reproduisant les conditions de formation et de différenciation de ces magmas.

Le Chapitre II présente l’état des connaissances sur: i) la teneur en éléments volatils des liquides silicatés alcalins et des liquides carbonatés, ainsi que leur structure, ii) les travaux d’immiscibilité entre liquide silicaté et carbonaté et le partage des éléments traces entre ces liquides; iii) le comportement des métaux rares entre les cristaux et les liquides, avec une présentation des modèles de partage déjà préexistant et iv) le rôle de la phase fluide.

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Le Chapitre III détaille la méthodologie expérimentale et analytique employée dans le cadre de cette thèse. Le protocole et les techniques expérimentales utilisées y sont détaillés, ainsi que les différentes méthodes analytiques utilisées pour caractériser les échantillons expérimentaux.

Le Chapitre IV constitue le point de départ et le centre de cette étude, et présente un modèle d’enrichissement en REE des carbonatites au cours de la différentiation des magmas alcalins. Ce chapitre s’articule autour d’un article accepté à GCA (Geochimica et Coscmochimica Acta). Il présente des données expérimentales de partage des REE entre liquides carbonatés et liquides silicatés de type NaK-néphélinite à phonolite. Ce chapitre met en évidence que les REE suivent le calcium dans ces systèmes alcalins. Le calcium est alors utilisé comme « proxy » du comportement des REE entre les liquides carbonatés et les liquides silicatés alcalins. Une paramétrisation de l’enrichissement en REE des carbonatites qui se base sur ces expériences d’immiscibilité, ainsi que sur une base de données expérimentale est proposée. Cette paramétrisation indique que le stade de différenciation et le degré de polymérisation des liquides silicatés au moment où l’immiscibilité se produit contrôle l’enrichissement en REE des carbonatites.

Le Chapitre V porte sur l’effet des éléments volatils sur la composition des liquides silicatés alcalins et carbonatés immiscibles, ainsi que sur leur enrichissement en métaux rares. La première grande partie s’intéresse particulièrement au rôle des éléments halogènes (F et Cl) et du phosphore : des résultats d’expériences d’immiscibilité dans des systèmes enrichis en F, Cl et P sont présentés. L’effet de ces éléments sur la composition et l’enrichissement en métaux rares des liquides est étudié. L’effet de composition et de structure du liquide silicaté mis en évidence dans le chapitre IV est également dominant dans ces systèmes enichis en volatils. Le modèle d’enrichissement en REE des liquides carbonatés présentés dans la chapitre IV est aussi validé pour ces compositions enrichis en F, Cl et P. La deuxième partie de ce chapitre V présente les premières données de concentrations de CO2 et de H2O dans les liquides silicatés alcalins (néphélinite-phonolite) à saturation en carbonates liquides, ainsi qu’une étude préliminaire des effets du CO2 sur la composition de liquides et sur le comportement des métaux rares.

Le Chapitre VI traite des cristaux formés au cours de la différenciation des magmas alcalins et carbonatés. Cette partie s’intéresse particulièrement au partage des métaux rares entre les cristaux coexistant avec les liquides silicatés et carbonatés décrits dans le chapitre IV ainsi que ceux ± enrichis en F, Cl et P décrits dans le chapitre V (clinopyroxène, grenat, titanite, apatite…). Les paramètres qui influencent l’enrichissement en métaux rares des minéraux formés au cours de la différenciation des magmas alcalins et des liquides carbonatés sont mis en évidence. Pour tous ces minéraux, la composition du liquide silicaté joue un rôle majeur sur leur enrichissement en métaux rares.

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