Caractérisation expérimentale du comportement des métaux rares au cours de la différenciation des carbonatites et des magmas alcalins

Experimental characterization of rare metals behavior during the differentiation of carbonatites and alkaline magma

• Auteur / Autrice : Zineb Nabyl
• Direction : Fabrice Gaillard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance le 11/03/2020
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Pichavant
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fleurice Parat, Michel Grégoire, Kathryn M. Goodenough, Johann Tuduri
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Tahar Hammouda, Lydéric France

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pétrologie

Roches alcalines

Carbonatites

Métaux des terres rares

Mots clés libres

Géochimie

Métaux rares

Carbonatites

Magma alcalin

Pétrologie expérimentale

Géologie

Geochemistry

Rare Metals

Carbonatites

Alkaline magma

Experimental petrology

Geology

Résumé

Les carbonatites et les roches magmatiques alcalines constituent une faible fraction du magmatisme terrestre et sont essentiellement produits en contexte intraplaque. Ces magmas sont particulièrement riches en éléments volatils (dioxyde de carbone, halogènes et eau) et présentent aussi des fortes concentrations en métaux rares (REE, Hf, Zr, Nb, Ta). Les gisements associés à ces roches magmatiques sont souvent affectés par des stades hydrothermaux tardifs brouillant les relations entre les processus magmatiques à l’origine de la formation de ces magmas (immiscibilité, différenciation, cristallisation fractionnée) et cet enrichissement métaux et en constituants volatils. Des expériences haute pression et haute température ont été réalisées afin d’évaluer le comportement des métaux rares pendant la différenciation de ces magmas. Ces expériences adressent le comportement des métaux rares pendant les processus d’immiscibilité entre liquides silicatés et liquides carbonatés et pendant la cristallisation de ces magmas. Les conditions optimales d’enrichissement en REE des liquides carbonatés au cours de la différenciation des magmas alcalins sont identifiées : les liquides carbonatés les plus enrichis sont formés par immiscibilité avec des liquides silicatés très différenciés et polymérisés de type phonolite/phono-trachyte. Un modèle d’enrichissement en REE des liquides carbonatés basé sur la composition des liquides silicatés est proposé et permet d’identifier i) le potentiel en REE des carbonatites pouvant être formées par immiscibilité avec des magmas alcalins, et ii) le stade de genèse par immiscibilité des carbonatites tout au long de la différenciation alcaline. De plus, le degré de différenciation et de polymérisation des liquides silicatés joue également un rôle sur l’enrichissement en métaux rares des cristaux (clinopyroxène, grenat, titanite, calcite et apatite) : les métaux rares sont plus concentrés dans les minéraux coexistant avec des liquides silicatés plus différenciés et polymérisés. Ceci implique que les liquides silicatés alcalins tendent à s’appauvrir en REE au cours de la différenciation, en comparaison aux liquides carbonatés et aux cristaux.

Carbonatites and alkaline magmatic rocks occur in intraplate context and constitute a small fraction of the earth magmatism. Those magmas are particularly enriched in volatiles (carbon dioxide, halogens, water) and also in rare metals (REE, Hf, Zr, Ta, Nb). The associated deposits are often affected by hydrothermal and supergen processes which erase any relation to the magmatic processes at the origin of these magmas (immiscibility, differentiation, fractional crystallization) and responsible of the rare metal and volatile enrichments.High pressure and high temperature experiments have been performed to characterize the behavior of rare metals during both magma differentiation. These experiments simulate the immiscibility between carbonate and alkaline silica-undersaturated melts, during the crystallization of the magma.The optimum of carbonate melt REE enrichments across alkaline magma differentiation course is identified : carbonate melts immiscible with highly differentiated and polymerised silicate melts of phonolitic/phono-trachytic compositions are the REE richest. A modelling of carbonate melts REE enrichment based on the silicate melt composition is suggested, to identify the REE potential of carbonatites which may be immiscible with an alkaline magmatic rock, or to identify at which differentiation stage the immiscibility has occurred. Moreover, the silicate melt degree of differentiation and polymerisation has also an impact on crystal rare metal enrichments : crystals which coexist with highly differentiated and polymerized silicate melts are highly enriched in rare metals. This implies that silicate melts become depleted in REE across the differentiation compare to crystals and carbonate melts.