La suite complexe des mégacristaux des kimberlites de Mbuji-Mayi en République Démocratique du Congo : témoins du métasomatisme dans le manteau lithosphérique sous-continental archéen du craton du Congo-Kasaï

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La suite complexe des mégacristaux des kimberlites de Mbuji-Mayi en République Démocratique du Congo : témoins du métasomatisme dans le manteau lithosphérique

sous-continental archéen du craton du Congo-Kasaï

Université Libre de Bruxelles

Département des Sciences de la Terre et de l'Environnement

500 µm magnésio-

hastingsite

grenat

phlogopite chlorite

mélange verre - chlorite

oxyde de Fe phlogopite

mélange verre - chlorite

pargasite

phlogopite

Thèse présentée en vue de l'obtention du titre de

Docteur en Sciences par

Marjorie Pivin

Soutenue en Mai 2012

Directeurs de Thèse : Professeur Daniel Demaiffe Professeur Nadine Mattielli

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Thèse présentée en vue de l'obtention du titre de

Docteur en Sciences par

Marjorie Pivin

Soutenue en Mai 2012

Directeurs de Thèse : Professeur Daniel Demaiffe Professeur Nadine Mattielli

Université Libre de Bruxelles

Département des Sciences de la Terre et de l'Environnement

La suite complexe des mégacristaux des kimberlites de Mbuji-Mayi en République Démocratique du Congo : témoins du métasomatisme dans le manteau lithosphérique

sous-continental archéen du craton du Congo-Kasaï

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Remerciements

Les dernières lignes…Incroyable !

J’adresse mes premiers remerciements chaleureux à Daniel Demaiffe. Au-delà du fait que, sans lui, je ne me serais jamais attaquée à ces mégacristaux, je le remercie pour sa disponibilité sans bornes durant ces quatre années et demie, et particulièrement lors de ces derniers mois et pendant le « sprint final », au cours duquel je pense qu’il en a (presque) bavé autant que moi, mais ne l’a jamais laissé paraître. Je n’ai jamais eu à hésiter à passer ma tête dans l’entrée de son bureau pour lui exposer mon problème du moment, parfois simplement parce que j’avais besoin d’une oreille qu’il a su tendre, mais principalement pour des discussions qui ont pu durer plusieurs heures, qu’il n’a pas hésité à me consacrer. Toujours prêt à m’apprendre et me montrer de nouvelles choses, même les derniers jours où ma tête allait exploser : je pense que je n’oublierai jamais l’origine du mot « armalcolite » ! Merci pour tout, j’ai réellement apprécié ces années passées au labo !

Merci à Nadine Mattielli. Tout d’abord pour avoir accepté de me « prendre » en cours de route, mais surtout parce qu’elle n’a pas hésité non plus à me laisser savoir que sa porte serait toujours ouverte, et pour s’être montrée d’une immense gentillesse. Merci également pour avoir accompagné mes premiers pas en « salle blanche » et au Nu, je n’aurais pas pu trouver meilleur coach.

Même si nos chemins ont fini par se séparer, je dois beaucoup à Olivier Féménias, mon mentor pendant les premières années, celui qui m’a lancée sur le chemin de la recherche et m’a appris que les années de thèse sont des montagnes russes ! On en a fait du « team- building » au Corto à une époque, et ce sont des souvenirs mémorables ! Je n’oublierai jamais les couscous en Tunisie, les soirées passées avec toute la famille et bien entendu Bob Marley et les autres aux cheveux longs dans les clips douteux qu’il nous infligeait aux pauses café.

Mes débuts en tant que thésarde se sont faits à ses côtés, c’était un vrai plaisir !

J’en arrive à celui que j’ai toujours considéré comme « le grand frère de la géologie » et qui bien entendu est un ami en plus d’être un collègue, Julien Berger. Que dire, sinon qu’on n’aurait pas pu, Gaëlle et moi, avoir meilleur compagnon du bureau d’à côté pendant toutes ces années. Merci à lui d’avoir toujours été disponible pour discuter et donner son avis, et pour avoir géré tous les problèmes informatiques ! On aura partagé de nombreuses conférences et les stages de terrain en Ardèche, c’était un réel bonheur !

Bien qu’étonnant dans cette discipline, je n’aurai pas eu l’occasion de faire du terrain pour ma thèse, et j’ai d’autant plus apprécié les moments passés à faire des analyses diverses à l’étranger. Pour ça, je remercie tous ceux qui m’ont initiée aux différentes techniques employées pour révéler l’histoire de ces mégacristaux.

Un merci particulier à John Valley et Mike Spicuzza pour m’avoir accueillie dans leur laboratoire à l’Université de Madison-Wisconsin et m’avoir directement laissée manipuler la délicate ligne d’extraction en verre, ainsi qu’à Alan Woodland, rencontré lors de ma première conférence sur les kimberlites à Francfort, avec qui j’ai appris, avec beaucoup de plaisir, la spectroscopie Mössbauer.

Merci également à Olivier Bruguier pour sa disponibilité lors de mes venues à Montpellier et pour avoir su dominer le spectromètre et le laser qui ne devaient pas beaucoup aimer les ondes que je transmettais, ainsi qu’à Jacques Wautier, Frédéric Couffignal et Michel Fialin pour l’aide apportée lors des analyses à la microsonde.

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Bien entendu, un tout grand merci aux membres du DSTE qui m’ont prêté leurs instruments et guidée pour les diverses analyses réalisées « en interne ».

Alain Bernard, pour m’avoir permis d’utiliser le MEB sans modération et Benjamin Barbier pour avoir changé les échantillons un nombre incalculable de fois.

Vinciane Debaille, qui m’a montré toutes les ficelles de la dissolution des échantillons et de la séparation des éléments en salle blanche, et évidemment pour ses conseils avisés lors du déchiffrage des résultats.

Merci à Wendy Debouge, Claude Maerschalk et Ivan Petrov pour leurs aides respectives en chimie et lors des analyses au Nu, et à Georges Zaboukis et Pascale Houba pour m’avoir prêté main forte dans la préparation des lames minces et des résines.

Les années de thèse, ce sont bien sûr des années de rencontres également. A ce titre, je saluerai « les Français » : Jean-Claude Mercier qui a joué le rôle de guide lors de ma toute première conférence et avec qui j’ai eu des discussions passionnantes, et Hervé Diot pour son hospitalité à La Rochelle et son humour atypique.

Merci également à Gaston Giuliani et Daniel Ohnenstetter pour leur motivation à collaborer sur l’étude des corindons et les initiatives entreprises, ainsi qu’à Dmitri Ionov pour le temps qu’il m’a accordé lors d’un passage rapide à Bruxelles.

J’en arrive à celles qui coulent de source, mes compagnes de labeur depuis la première année d’études et jusqu’en fin de thèse : Gaëlle, ma compagne de bureau qui a su supporter mon intolérance au bruit, et Camille et Nathalie, celles avec qui j’ai partagé tous les « moments FRIA ». C’était un réel bonheur de partager tout ça avec elles et d’avoir pu évoluer ensemble.

Qu’auraient été toutes ces années sans la bonne ambiance qui règne au sein de l’équipe des jeunes du DSTE. Claire, Céline, Collin, Julien, Gaëlle, Geneviève, Jérôme, Aurélien, Benjamin, Marguerite, Robin, Franck, Chiara, Vinciane, Erwin, Katharine, Eléonore et Julie, je vous adresse un immense merci pour un quotidien d’enfer et les excellents moments passés en soirées.

Finalement, sans oublier mes amis sans qui la vie ne serait tout simplement pas pareille, je remercie du plus profond de mon cœur mes parents et ma famille en général parce qu’ils ont toujours été d’un support illimité. Un merci tout particulier à mon papa parce que, mis à part ces quelques lignes, il n’y en a pas une qu’il n’aura pas relue.

Je remercie Alan Woodland, Michel Grégoire, Jacqueline Vander Auwera, Vinciane Debaille et la personne qui remplira le rôle de Président pour avoir accepté de faire partie du jury de ma thèse.

Cette thèse n’aurait pu être entreprise et aboutir sans le soutien financier du FRIA-FNRS et l’aide de la Fondation Van Buuren, que je remercie chaleureusement.

La vaste collection de mégacristaux de Mbuji-Mayi dont j’ai pu user et abuser, je la dois à feu Dr Carlos Fieremans (ancien directeur de la MIBA) et à son fils Dr Mark Fieremans. Je leur exprime ma profonde gratitude.

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SOMMAIRE

1. Chapitre 1 : Les kimberlites et leurs mégacristaux dans le manteau lithosphérique

cratonique. Problématiques associées 1

1.1. Introduction 1

1.2. Problématique associée aux kimberlites 2 1.2.1. Description pétrographique et classification des kimberlites 3 1.2.2. Composition du magma kimberlitique primaire 4 1.2.3. Source et genèse des magmas kimberlitiques 6 1.2.4. Relation avec d’autres types de magmas ultramafiques alcalins 7 1.2.5. Propriétés physiques et modèle magmatique de mise en place du magma

kimberlitique 8

1.2.6. Répartition géographique et temporelle des kimberlites 11 1.2.7. Modèles tectoniques de mise en place des kimberlites 14 1.2.8. Intérêt des kimberlites 15

1.2.8.1. Diamants 16

1.2.8.2. Xénolites 19

1.3. Problématique associée à la lithosphère cratonique 21 1.3.1. Généralités et particularités 21 1.3.2. Composition unique du manteau lithosphérique cratonique ? 24 1.3.3. Stratification compositionnelle du manteau lithosphérique cratonique ? 26 1.3.4. Modèles de formation du manteau lithosphérique cratonique 28 1.4. Le métasomatisme dans le manteau lithosphérique 33

1.4.1. Définition du métasomatisme 33 1.4.1.1. Fluide vs. liquide : précisions 34 1.4.2. Métasomatisme de type silicaté 37

1.4.2.1. Métasomatisme riche en Si 37 1.4.2.2. Métasomatisme de BT riche en LILE et LREE 38 1.4.2.3. Métasomatisme de HT riche en Fe-Ti 45 1.4.3. Métasomatisme de type carbonaté (carbonatitique) 49

1.5. Les mégacristaux 53

1.5.1. Introduction – caractéristiques générales 53 1.5.2. Problématique de l’origine des mégacristaux 54

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2. Chapitre 2 : Les provinces kimberlitiques et leurs mégacristaux en République Démocratique du Congo. Cadre géologique et objets de l’étude 63

2.1. Introduction 63

2.2. Contexte géologique 64

2.2.1. Structure et évolution du craton du Congo-Kasaï 64 2.2.2. La province kimberlitique de Mbuji-Mayi 67

2.2.2.1. Emplacement tectonique des kimberlites 67 2.2.2.2. Structure et composition du socle 70 2.2.3. La province kimberlitique du Kundelungu 74 2.2.3.1. Emplacement tectonique des kimberlites 75 2.2.3.2. Structure et composition du socle 77 2.2.4. Estimations de la profondeur de la lithosphère en RDC 77 2.3. Nature des kimberlites de RDC et de leurs enclaves 79

2.3.1. Introduction 79

2.3.2. La province kimberlitique de Mbuji-Mayi 79 2.3.2.1. Les kimberlites 79

2.3.2.2. Les mégacristaux 80

2.3.2.3. Les xénolites et les diamants 81 2.3.3. La province kimberlitique du Kundelungu 82

2.3.3.1. Les kimberlites 82 2.3.3.2. Les mégacristaux 83

2.3.3.3. Les xénolites 83

2.4. Objets et objectifs de l’étude 84

3. Chapitre 3 : Méthodologie 87

3.1. Préparation des échantillons 87 3.2. Microscope électronique à balayage (MEB) 88 3.3. Analyse des éléments majeurs 89

3.3.1. Détermination des concentrations en éléments majeurs par microsonde

électronique 89

3.3.2. Mesure du rapport Fe³⁺/∑Fe par spectroscopie Mössbauer 90 3.3.2.1. La spectroscopie Mössbauer 90 3.3.2.2. Application aux minéraux du grenat et du clinopyroxène 93 3.3.2.3. Préparation des échantillons et résolution / ajustage des spectres

Mössbauer 94

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3.4. Analyse des éléments en trace par LA-ICP-MS 96 3.5. Géochimie des isotopes stables de l’oxygène 100

3.5.1. Préparation des échantillons 100 3.5.2. Méthode d’extraction de l’oxygène par fluorination laser 100 3.5.3. Mesure des rapports isotopiques 101 3.6. Géochimie isotopique du Nd et de l’Hf 103

3.6.1. Mégacristaux de grenat et clinopyroxène 103 3.6.1.1. Dissolution des échantillons 103

3.6.1.2. Chromatographie 104

3.6.1.3. Analyses au MC-ICP-MS 106 3.6.2. Mégacristaux de zircon et baddeleyite 107

3.6.2.1. Dissolution des échantillons et chromatographie 107 3.6.2.2. Analyses au MC-ICP-MS 108 4. Chapitre 4 : Etude d’un nodule exceptionnel de clinopyroxénite à kyanite riche en

Cr dans les kimberlites de Mbuji-Mayi 109

4.1. Avant-propos 109

4.2. Nature and origin of an exceptional Cr-rich kyanite-bearing clinopyroxenite xenolith

from Mbuji-Mayi kimberlite (DRC) 110

5. Chapitre 5 : Origine des mégacristaux de grenat et de clinopyroxène des kimberlites

de RDC 123

5.2. Description pétrographique 124 5.2.1. Mégacristaux de grenat 124 5.2.2. Mégacristaux de clinopyroxène 126 5.3. Origine mantélique métasomatique pour les mégacristaux de RDC 127

5.3.1. Avant-propos 127

5.3.2. Metasomatic mantle origin for Mbuji-Mayi and Kundelungu garnet and clinopyroxene megacrysts (Democratic Republic of Congo) 128 5.4. Vers une meilleure caractérisation du métasomatisme 138

5.4.1. Eléments majeurs des mégacristaux 139 5.4.1.1. Mégacristaux de grenat 139 5.4.1.2. Mégacristaux de clinopyroxène 148

5.4.1.3. Discussion 148

5.4.2. Eléments en trace des mégacristaux 156

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5.4.2.1. Mégacristaux de grenat 156 5.4.2.2. Mégacristaux de clinopyroxène 165

5.4.2.3.1. Comparaison aux mégacristaux à travers le monde 171 5.4.2.3.2. Partage des éléments en trace 173 5.4.2.3.3. Liquide à l’équilibre avec les mégacristaux de RDC ? 178 5.4.3. Composition des phases en inclusion dans les mégacristaux 184

5.4.3.1. Oxydes 184

5.4.3.1.1. Rutile 184

5.4.3.1.2. Ilménite 185

5.4.3.1.3. Spinelle 188

5.4.3.1.4. Baddeleyite 192

5.4.3.2. Silicates 192

5.4.3.2.1. Olivine 192

5.4.3.2.2. Pyroxènes 192

5.4.3.2.3. Amphibole 195

5.4.3.2.4. Phlogopite 197

5.4.3.2.5. Chlorite 201

5.4.3.3.Verre 205

5.5. Le métasomatisme qui a affecté le manteau supérieur en RDC a-t-il un caractère

oxydant ? 216

5.5.1. Introduction 216

5.5.2. Détermination des rapports Fe³⁺/∑Fe par spectroscopie Mössbauer 219

5.5.3. Résultats 221

5.5.4. Comparaison entre les valeurs Fe³⁺/∑Fe des mégacristaux de RDC et les valeurs des minéraux du manteau lithosphérique 224

5.5.4.1. Grenats 224

5.5.4.2. Clinopyroxènes 226

5.5.5. Discussion 229

5.5.5.1. Paramètres qui influencent le rapport Fe³⁺/∑Fe des minéraux 229 5.5.5.2. Estimation des conditions de pression et de température d’équilibre des

mégacristaux de RDC 230

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5.5.5.3. Considérations additionnelles sur les rapports Fe³⁺/∑Fe des mégacristaux

de RDC 236

5.6. Géochimie isotopique de l’oxygène des mégacristaux de grenat, clinopyroxène et zircon des kimberlites de RDC : un outil additionnel pour contraindre leur origine 239

5.6.2. Oxygen isotopic composition of garnet, clinopyroxene and zircon megacrysts from kimberlites in Democratic Republic of Congo: insights into their

petrogenesis 241

5.7. Une meilleure caractérisation de la source et de l’origine des mégacristaux de grenat, clinopyroxène, zircon et baddeleyite des kimberlites de Mbuji-Mayi : apport de la géochimie isotopique couplée du Nd et de l’Hf 278

5.7.2. Nd - Hf isotope systematics of megacrysts from the Mbuji-Mayi kimberlites, D.R.Congo: Evidence for a metasomatic origin related to kimberlite interaction with the cratonic lithospheric mantle 280 5.8. Synthèse et conclusions sur l’origine des mégacristaux de grenat et de clinopyroxène

des kimberlites de RDC 304

5.8.1. Etude comparative pour une meilleure caractérisation du métasomatisme à l’origine des mégacristaux de grenat et de clinopyroxène de RDC 305 5.8.2. Arguments en faveur d’une différence d’origine ou du moins de processus de

formation pour les mégacristaux de grenat et de clinopyroxène des kimberlites de

RDC 307

5.8.3. Histoires pétrogénétiques contrastées pour les mégacristaux de grenat d’une part, et les mégacristaux de clinopyroxène (et de zircon et de baddeleyite) d’autre

part 310

5.8.4. Approche de la composition du liquide/fluide métasomatique 312 5.8.5. Les échantillons de grenat particulier échantillonnés par les kimberlites de

RDC 313

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6. Chapitre 6 : Les mégacristaux de zircon et de baddeleyite des kimberlites de Mbuji-

Mayi 315

6.2. Description pétrographique 316 6.2.1. Mégacristaux de zircon 316 6.2.2. Mégacristaux de baddeleyite 317 6.3. Composition chimique des mégacristaux et de leurs inclusions 318

6.3.1. Eléments majeurs 318

6.3.2. Eléments en trace 324 6.3.3. Discussion comparative 329 6.4. Synthèse des données de géochimie isotopique 339

6.4.1. Composition isotopique de l’oxygène des mégacristaux de zircon 339 6.4.2. Composition isotopique de l’Hf des mégacristaux de zircon et de baddeleyite

340 6.5. Discussion et conclusions 340 7. Chapitre 7 : Les mégacristaux d’ilménite, de rutile et les intercroissances rutile-

silicates des kimberlites de Mbuji-Mayi 349

7.2. Description pétrographique 350 7.2.1. Mégacristaux d’ilménite 350 7.2.2. Mégacristaux de rutile 350 7.2.3. Nodules d’intercroissances rutile-silicates 351 7.3. Composition chimique des mégacristaux et des nodules d’intercroissances 353

7.3.1. Eléments majeurs 353

7.3.1.1. Ilménites 353

7.3.1.2. Rutiles 358

7.3.1.3. Silicates 363

7.3.2. Eléments en traces 366

7.3.2.1. Ilménites 366

7.3.2.2. Rutiles 369

7.3.3. Discussion comparative 371 7.3.3.1. Mégacristaux d’ilménite 371

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7.3.3.2. Mégacristaux de rutile du Groupe 1 et intercroissances rutile-silicates

377

7.3.3.2.1. Rutile 377

7.3.3.2.2. Ilménite 381

7.3.3.3.Mégacristaux de rutile du Groupe 2 382 7.4. Discussion et conclusions 382 8. Chapitre 8 : Synthèse et conclusions. Modèle pétrogénétique 389

8.1. Nature contrastée des socles traversés par les kimberlites des régions de Mbuji-Mayi

et du Kundelungu 389

8.2. Synthèse des données minéralogiques, géochimiques et isotopiques acquises sur les

mégacristaux de RDC 391

8.3. Origine métasomatique des mégacristaux de RDC 395 8.3.1. Comparaison avec les mégacristaux d’autres occurrences kimberlitiques 395 8.3.2. Comparaison avec les minéraux des lithologies métasomatisées du manteau

lithosphérique cratonique 397 8.4. Relations entre les mégacristaux de RDC 399

8.4.1. Relations entre les différents types de mégacristaux 399 8.4.2. Relations entre les mégacristaux des provinces kimberlitiques de Mbuji-Mayi

et du Kundelungu - Relation au potentiel diamantifère 401 8.5. Composition du liquide/fluide métasomatique 403

8.5.1. Lien avec la kimberlite-hôte 403 8.5.2. Caractérisation du liquide/fluide proto-kimberlitique 404

8.6. Modèle pétrogénétique 405

Bibliographie 411

Planches 443

Annexes 457

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