Germanium et éléments associés dans les sulfures : cristallochimie, modes d’incorporation et fractionnement isotopique

Germanium and related elements in sulphide minerals : crystal chemistry, incorporation and isotope fractionation

• Auteur / Autrice : Rémi Belissont
• Direction : Michel Cathelineau, Marie-Christine Boiron, Béatrice Luais
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 15/03/2016
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E - Ecole Doctorale Sciences et Ingénierie des Ressources, Procédés, Produits, Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GéoRessources (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Etienne Deloule
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nigel Cook, Alain Manceau
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Robert Moritz, Stefan Weyer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géochimie isotopique

Sulfures (minéralogie)

Germanium

Mots clés libres

Germanium

Sulfures

Isotopes

LA-ICP-MS

MC-ICP-MS

XANES

Germanium

Sulphides

Isotopes

LA-ICP-MS

MC-ICP-MS

XANES

Résumé

Le germanium est un métalloïde « stratégique » dans l’industrie high-tech, notamment pour la transition énergétique et le secteur des communications. Étant distinctement sidérophile, lithophile, chalcophile et organophile, le Ge possède un fort potentiel comme traceur géochimique. Ces travaux de thèse visent à améliorer la compréhension de la géochimie du cycle du Ge et des facteurs qui contrôlent son incorporation dans les minéraux et les gisements métalliques. Les cibles de cette étude concernent le gisement filonien à Zn de Saint-Salvy (Massif Central, France), le gisement filonien à Cu de Barrigão (Ceinture pyriteuse ibérique, Portugal), et le gisement à Zn–Cu de Kipushi (R.D. Congo). Les porteurs de Ge les plus importants sont respectivement la sphalérite (jusqu’à 2580 ppm), la chalcopyrite (jusqu’à 5750 ppm) et la réniérite (5,0–9,1 %). Les résultats montrent qu’il existe une relation de premier ordre entre la concentration en Ge dans la sphalérite et le type de gisement. La spectroscopie XANES par rayonnement synchrotron met en évidence la présence de Ge4+ en site tétraédrique dans les sulfures analysés. Les corrélations élémentaires observées dans la sphalérite et la chalcopyrite suggèrent une incorporation du Ge par co-substitutions, e.g., 3Zn2+ ↔ Ge4+ + 2(Cu,Ag)+ et 3Fe3+ ↔ 2Ge4+ + Cu+, ou via la création de lacunes cristallographiques, e.g., 2Zn2+ ↔ Ge4+ + ?. La corrélation positive δ74Ge–[Ge]ZnS des sphalérites de Saint-Salvy indiquerait que coefficient de partage (KdGe) augmenterai avec T. Les compositions isotopiques δ74Ge des sulfures étudiés varient de –5,72‰ à +3,67‰. Les compositions légères mesurées dans les gisements de Saint-Salvy et Barrigão semblent liées à des variations de température des fluides (basse à moyennes T) lors de l’incorporation de Ge en système ouvert, alors que la tendance marquée vers les compositions isotopiques lourdes à Kipushi indiquerait un fractionnement de Rayleigh.

Germanium is a critical metalloid in many high-tech industries, especially for the energy transition and the communication sector. Being distinctly siderophile, lithophile, chalcophile and organophile, Ge can be a particularly useful geochemical tracer. This thesis aims at understanding the Ge geochemistry and the factors controlling its concentration in Ge-bearing minerals and ore deposits. Three contrasted Ge-bearing deposits were studied, the Saint-Salvy Zn vein-type deposit, French Massif Central, the Barrigão Cu vein-type deposit, Iberian pyrite belt, Portugal, and the Kipushi Zn–Cu carbonate-hosted deposit, Central African copper-belt, D.R. Congo. The most important Ge-bearing minerals are sphalerite (up to 2580 ppm Ge), chalcopyrite (up to 5750 ppm Ge), and renierite (5.0–9.1 wt.% Ge). The results show a first order relation between the Ge content and the deposition temperature. Synchrotron-based XANES spectroscopy showed that Ge4+ occur in tetrahedral sites in the studied sulphides. Element correlations suggest that Ge is chiefly incorporated in sphalerite and chalcopyrite through coupled substitutions, e.g., 3Zn2+ ↔ Ge4+ + 2(Cu,Ag)+ and 3Fe3+ ↔ 2Ge4+ + Cu+, respectively, or via the creation of lattice vacancies, e.g., 2Zn2+ ↔ Ge4+ + ?. The positive δ74Ge–Ge content correlation observed in sphalerite from Saint-Salvy could indicate that Ge partition coefficient (KdGe) increases with temperature. Ge isotopes in sulphides yield δ74Ge values spanning from –5.72‰ to +3.67‰. The light δ74Ge compositions of Saint-Salvy and Barrigão ores appear to be related to variations in low to moderate fluid temperatures during Ge uptake in open system (e.g., fluid cooling), while the trend towards heavy δ74Ge compositions observed at Kipushi likely translates a Rayleigh fractionation effect during ore formation in closed system, associated with significant fluid modification.