Manteau source et genèse des magmas parents des carbonatites : les principales ressources en terres rares sur Terre

Source mantle and parental magmas genesis of carbonatites : the main REE deposits on Earth

• Auteur / Autrice : Valentin Casola
• Direction : Lydéric France, Etienne Deloule
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 31/08/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre de recherches pétrographiques et géochimiques (Vandoeuvre-lès-Nancy, Meurthe-et-Moselle)
• Jury : Président / Présidente : Gilles Chazot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lydéric France, Etienne Deloule, Fleurice Parat, Michel Grégoire, Didier Laporte, Sébastien Pilet, Emilie Thomassot
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fleurice Parat, Michel Grégoire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Terre -- Manteau

Métasomatisme

Carbonatites

Ressources minérales

Terres rares

Mots clés libres

Carbonatites

Métasomatisme mantellique

Terres rares

Géochimie

Pétrologie

Carbonatites

Mantle metasomatism

Rare earth elements

Geochemistry

Petrology

Résumé

Les Terres Rares (REE) sont utilisés dans de nombreux produits industrialisés. Les principales sources de REE sont les laves et intrusions carbonatitiques. Les carbonatites sont des laves rares, riches en carbonates, dont les modèles pétrogénétiques font débat: soit une formation directe par la fusion partielle d'un manteau enrichi en carbone, soit par différenciation extrême puis immiscibilité à partir d'un magma silicaté alcalin. Ce projet se base sur une étude pétro-géochimique des xénolithes mantelliques recueillis autour de l'Oldoinyo Lengai (OL; Tanzanie), le seul volcan actif émettant des carbonatites, pour mieux contraindre la genèse des magmas carbonatitiques et alcalins associés. Grâce à une approche multi-minérale intégrant l'ensemble des données chimiques de toutes les phases minérales des xénolithes, cette étude montre que le manteau lithosphérique Tanzanien est hétérogène avec une histoire métasomatique complexe. Par ailleurs, certains xénolithes contiennent des carbonates similaires à ceux observés précédemment dans le manteau de la région. Les compositions des carbonates de cette étude et de deux échantillons de la littérature réanalysés ici documentent des δ18O et δ13C qui soutiennent la formation pédogénique de ces carbonates et réfutent donc un enrichissement global en carbone, sous forme de carbonates mantelliques, du manteau lithosphérique N-Tanzanien. Ces résultats soutiennent une formation des carbonatites de la région par une différenciation extrême de magmas alcalins produits par la fusion partielle d'un manteau lithosphérique relativement pauvre en carbone. Par ailleurs, les magmas silicatés alcalins (mélilitite, Mg-néphélinite) sont considérés comme les potentiels magmas parents des carbonatites actuellement produites par l'OL. Les études sur ces magmas ont montré qu'ils peuvent être générés par la fusion de lithologies métasomatiques pyroxénitiques porteuses de phases riches en éléments volatils (CO2, H2O). Ainsi, la fusion d'une veine métasomatique naturelle provenant de nos échantillons forme les magmas alcalins silicatés les plus riches en CO2 et H2O expérimentalement produits depuis un protolithe naturel. La fusion des veines de pyroxénites à phlogopites forme donc des magmas dont les compositions suggèrent leur implication dans la genèse des magmas primitifs de la région. Ces résultats suggèrent que la fusion partielle des veines fertiles d'un manteau métasomatisé participe à la formation des magmas parents des carbonatites.

Rare Earth Elements (REE) are used in numerous industrialized products. The main sources of REE are carbonatite lavas and intrusions. Carbonatites are rare, carbonate-rich lavas, whose origin remains underconstrained: either directly derived from the melting of a C-rich mantle, or formed by protracted differentiation and immiscibility from silicate magmas. This project is focused on the petro-geochemical study of mantle xenoliths gathered around the Oldoinyo Lengai (OL; Tanzania), the only active volcano emitting carbonatites on Earth. Thanks to a multi-mineral approach integrating chemical data of all the mineral phases present in mantle xenoliths, this study shows that the Tanzanian lithospheric mantle is heterogeneous, with a complex metasomatic history. In addition, some xenoliths contain carbonates similar to those previously observed in the lithospheric mantle from the area. The isotopic compositions of carbonates from this study and of two samples from the literature reanalyzed herein display δ18O and δ13C isotopic compositions that support the pedogenic formation of these carbonates. This refutes an overall carbon enrichment, in the form of mantle carbonates, of the lithospheric mantle under the only active volcano emitting carbonatites. These results support the formation of Tanzanian carbonatites by extreme differentiation from alkaline magmas produced by the partial melting of a relatively C-poor mantle. In addition, alkaline silicate magmas (melilitite, Mg-nephelinite) are considered to be the potential parental magmas of carbonatites currently produced by the OL. Previous studies on these magmas have shown that they can potentially be generated by the partial melting of pyroxenite metasomatic lithologies carrying volatile-rich phases (CO2, H2O). Hence, the melting of a natural metasomatic vein from our sample set forms the most volatile-rich silicate alkaline magmas experimentally produced from a natural protolith. The melting of metasomatic phlogopite-rich pyroxenites veins produces magmas which compositions strongly suggest their involvement in the genesis of the primitive magmas of the area. Thus, these results suggest that the partial melting of the fertile veins of a metasomatized mantle participates in the formation of the parental magmas of carbonatites.