Pr. Salah Bouhlel
Cours Géologie Faculté des Sciences de Tunis Unversité Tunis El Manar Salah Bouhlel  
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2. Fluides magmatiques
 
1        Fluides magmatiques
La metallogénie moderne distingue 3 grands types de fluides mineralisateurs (Fig. 1.1):
Ø Fluides magmatiques
Ø Fluides hydrothermaux d'origines diverses (p. e. "météoriques évolués", produits lors de processus d’immiscibilité magmatique, fluides métamorphiques)
Ø Fluides superficiels (eau de pluie, eaux de mer, eaux souterraines proches de la surface, "shallow groundwater")
 
Les magmas et les fluides hydrothermaux sont les principaux fluides participant à la formation des gisements métallifères (Fig. 2.1 et 2.2). Les fluides superficiels peuvent aussi former certains types de gisements (ex : bauxites et autres gisements dits "résiduels". En plus, les fluides superficiels peuvent enrichir des gisements existants, ce qui joue un rôle très important du point de vue économique.
 
Ce chapitre est consacré aux fluides magmatiques.
Le chapitre qui suivera sera consacré aux fluides hydrothermaux
 
 
Figure 2.1 : Différents types de fluides et des grands types de gisements (Fontboté, 1999).
 
 
 
 
 
 
 
 
Figure 2.2 Représentation des différents types de roches magmatiques, différenciation magmatiques, fluides et types paragenétiques des dépôts minéralisés (Tirée de xxx ). 
 
 
Les magmas, sans ou avec peu de participation de fluides hydrothermaux, peuvent constituer des fluides qui forment d’importants gisements métallifères. C’est pourquoi, nous présentons dans ce qui suit, les principaux stades de la cristallisation magmatique, en re-décrivant le diagramme classique de Niggli, puis les grands mécanismes de la ségrégation magmatique et la formation des gisements minéraux.
 
1.1       Les stades principaux de la cristallisation magmatique de Niggli
 
 
Figure 2.3. Diagramme de Niggli représentant les stades successifs lors de la cristallisation d'un magma, ce modèle est appliqué à un système binaire constitué d'un élément réfractaire (R) et d'un élément volatil (V).
 
La figure 2.3 montre le diagramme classique de Niggli (1929). Ce diagramme et utile pour définir les stades des gisements associés à des processus magmatiques.
Le diagramme représente l'évolution d'un système binaire constitué par un élément réfractaire (R) et un élément volatil (V, eau par exemple).
1) Pendant le stade orthomagmatique, l'élément volatil V reste essentiellement en solution. Si la température baisse, il y a un dépôt des produits réfractaires R (surtout silicates) et formation de la roche ignée. Sulfures et oxydes de Fe-Ti et Cr peuvent se former en même temps que les silicates de Mg et Fe. (Rappel: Fe, Ti et Cr ont un rayon ionique modéré et peuvent entrer sans difficulté dans le réseau cristallin des silicates). Ces minerais sont dits de ségrégation magmatique ("liquid magmatic segregation" ou "magmatic segregation").
2) Stade pegmatitque. La proportion du volatil "V" étant chaque fois plus élevée, la composition du liquide arrive en a2. Entre les points a2 et a3, la courbe est presque horizontale. Pour une faible diminution de température il y a par conséquent une précipitation rapide. Il s'agit de quartz, feldpath, + mica ainsi que des minéraux qui vont incorporer dans leur réseau cristallin des éléments qui, en raison de leur rayon ionique soit trop petit, soit trop grand, n'auront pas pu former de minéraux pendant le stade orthomagmatique: Li, Be, B, F, Rb, Cs, RFE, Zr, Hf, Nb, Ta, U. Les paragenèses changent très rapidement pendant ce stade où se forment les pegmatites.
3) Stade pneumatolytique.Après le point a3 (qui correspond au point de pression maximale b3), la courbe de composition est très raide; il y a donc une précipitation plus lente lors de la baisse de T. Le système est devenu très riche en phases volatiles (H20, HF, HCl, H2S, CO2, etc.), mais la température reste encore assez élevée. Les silicates sont minoritaires. Les minéraux de W, Sn, Mo dans des filons de haute T sont typiques de ce stade pneumatolytique. Le terme pneumatolytique fait référence à l'enrichissement en phases volatiles, car en grec pneuma signifie souffle"1. Les gisements pueumatolytiques sont considérés comme idéalement formés par des agents gazeux en opposition avec le stage pegmatitique où il s'agit de la cristallisation d'un magma résiduel avec prédominance de silicates, et en opposition aussi au stade hydrothermal caractérisé par la cristallisation à partir d'une solution aqueuse (voir ci-dessous).
Pendant le stade pegmatitique-pneumatolytique, en raison de la forte proportion de phases volatiles, leur pression partielle peut dépasser la pression lithostatique. (Pensez aux pneumatiques ou pneus d'une voiture)
Les phases pegmatitique-pneumatolitique ont alors la possibilité de migrer. Ces fluides sont des solutions saturées qui, par diminution de température et de pression, précipiteront des minéraux. D'autre part, les solutions sont chimiquement très actives (présence des acides comme HF, HCL, H2S), elles peuvent produire dtimportantes altérations de la roche encaissante. Tous ces processus ont lieu encore au-dessus des conditions critiques de P et T.
Un cas extrême d'altération en conditions pneumatolytiques est la greisenisation en bordure de massifs granitiques, processus en général caractérisé par l'apport de H+ et Li+ et départ de Na. Les feldspaths et la muscovite de la roche originale sont transformés en un agrégat de quartz, lépidolite [Mica lithinifère (LiAl)3K(Si3AlO10F2)], et topaze (+-tourmaline, fluorine, rutile, cassitérite et wolframite).
4) Stade hydrothermal : Au-dessous de la température critique T4 (pour l'eau 3740C), la pression partielle diminue plus rapidement, et après le départ massif des éléments volatils qui a eu lieu pendant le stade pegmatitique-pneumatolitique (courbe entre points a2 et a4), il ne subsiste qu'une solution aqueuse ne renfermant que les substances les plus solubles ; celles-ci précipitent par refroidissement: Au, Ag, Cu, Pb, Zn, Hg, As, Bi. Ce stade appelé hydrothermal est qualitativement et quantitativement très différent des stades précédents. Les solutions hydrothermales présentent des températures variables, toujours au-dessous de la température critique, et contiennent des sels en solution tels que chlorures, fluorures, ainsi que sulfates, bicarbonates, etc. Certains de ces sels augmentent sensiblement la solubilité d'autres éléments.
Il peut s'y ajouter un stade solfatarien ou fumerollien, où sont émis des gaz: S03, C02, etc.
 
1.2       Les grands mécanismes de ségragation magmatique et formation de gisements
 
Figure 2.4 Schéma d'une suite d'évènements magmatiques conduisant à la mise en place d'un gisement d'origine magmatique. Sur la droite de ce diagramme la différentiation magmatique peut atteindre le stade d'une diorite (adapté de diagrammes par A.J. Naldrett, dans Guilbert & Park, 1986)
 
Deux grands mécanismes de ségrégation magmatique peuvent conduire à des concentrations économiques. Ce sont les processus de
 
Ø cristallisation fractionnée et séparation mécanique par gravité: gisements de chromite stratiforme (Bushveld) et podiforme (Turquie, Cuba).
 
Ø immiscibilité de liquides, soit par :
 
ü immiscibilité de sulfures (avec enrichissement des éléments chalcophiles Fe, Cu, Ni, PGE Ex : Gisements de Ni dans des laves komatitiques (Kambalda, Abitibi). Fe et Zn, sont aussi enrichis, mais sans importance économique pour ce type de gisements,
ü immiscibilité d'oxydes (avec enrichissement des éléments sidérophiles: Fe, Cr, Ti, V, P) Ex : Gisements de Ni-Cu dans des gabbros (Sudbury) ou Oxydes de Fe-Ti en anorthosites: (Sandford Lake)
 
Figure 2.5 Processus d’immiscibilité d’un magma gabroïque (Gilbert & Park, 1985)
La figure 2.5 illustre le processus de l'immiscibilité magmatique en prenant l'exemple d'un magma de composition gabroïque avec de très petits contenus de liquides "oxyde" et "sulfure". Au fur et à mesure que la cristallisation d'orthopyroxene et plagioclase calcique avance, le magma s'enrichit relativement en composants "oxyde" et "sulfure". Puisque la solubilité des liquides "silicate", "oxyde" et sulfure" est limitée, la composition du magma peut arriver à un point de saturation par rapport à un des liquides. A des températures plus basses deux (ou plus) liquides coexisteront. La coexistence de deux de ces liquides et la séparation l'un de l'autre est appelée "immiscibilité de liquides".
 
1.3       Cristallisation fractionnée conduisant à la formation des gisements de chromite, vanadium, titane
Lors de la cristallisation fractionnée d'un magma, pendant le stade orthomagmatique, des cristaux automorphes qui se séparent peuvent s'accumuler par gravité. Ces cumulats (angl. "cumulus") sont composés d'éléments ayant un rayon atomique identique qui peuvent entrer facilement dans le réseau des premiers silicates et oxydes cristallisés (éléments compatibles).  
Les cumulats sont normalement constitués par de l'olivine, du plagioclase riche en Ca, de la bronzite (Orthopyroxène de composition intermédiaire entre enstatite et hypersthène)  et de quantités mineures de magnétite et ilménite et, dans certaines circonstances, de chromite. Parfois les cumulats forment des structures litées et même des "stratifications" obliques.
Du point de vue économique, les cumulats les plus importants sont ceux de chromite, dont on distingue deux types:
Ø les chromites stratiformes qui se trouvent dans les grandes "Layered Mafic Intrusions" (LMI) (fr.: intrusions mafiques litées ou lopolites basiques) dans des cratons,
Ø et les corps lenticulaires et irréguliers de chromites podiformes ("podiform or alpine-type chromites" dans les roches ultrabasiques (surtout dans des harzburgites) des complexes ophiolitiques en zones tectoniquement instables.
Les deux types de chromite ont une composition différente: les chromites podiformes ont des rapports de Cr/Fe plus élevés que les chromites stratiformes. Ce fait les rend très appréciables pour des applications métallurgiques et chimiques, bien que leur forme irrégulière en rende l'exploitation plus difficile. Les chromites stratiformes sont plus riches en sulfures et en PGE.
Figure 2.6 Schéma de formation d’un gisement lité de chromite par ségrégation et accumulation par gravité 
D'autres cumulats présentant un intérêt économique sont des corps massifs de magnétite vanadifère avec plus ou moins de Ti dans des couches d'anorthosites dans des LMI (exemple: partie supérieure du complexe de Bushveld) et des gisements d'ilménite riches en P dans des anorthosites et des gabbros anorthosiques (exemple Lake Sanford, New York, et Lake Allard, Canada).
 
1.4       Immiscibilité de liquides et formation de gisement de Ni, Cu, PGE, et Fe-Ti-P
Ni, Co, Pt, Rh, Ru, Ir et Os sont des éléments très sidérophiles. Ils sont donc surtout présents dans le noyau de la Terre et ils sont progressivement moins abondants dans les différentes couches du manteau et de la croûte.
 
Table 2.1 Abondance en ppm de certains métaux de transition dans la Terre et dans des matériaux planétaires (Naldrett, 1989).
                                                                                                          Fe                  Ni                  Pd           Ir                     Pt
Carbonaceous chondrites (planetary system)            270,000      16,000           0,545        0,54            1,02
Total earth (32.4% of core+67.6% of mantle)              334,000     30,000           1,25          1,14            2,79
Earth's crust                                                                                 50,000    75,000 0,001 0,001        0,005
Earth's mantle (Alpine peridotite)                                      60,000         2,500           0,018        0,006         0,073
Earth's core (Iron meteorites)                                            907,000   88,000              3,82          3,53            8,45
 
Le tableau 3.1 montre les concentrations estimées de Fe, Ni, Pd, Ir et Pt dans (1) les chondrites1, météorites pierreuses qui représenteraient la composition du système planétaire (sans H et He); (2) la terre non différenciée; (3) la croûte terrestre et (4) le noyau de la terre (représenté par des météorites de fer2). Des données du tableau 2.1 on peut déduire que les roches ultramafiques, de composition plus proche de celles du manteau, sont 15 à 50 fois plus riches en Ni et Pt que la moyenne des roches de la croûte. Mais on est encore loin des teneurs typiques d'un gisement qui sont de l'ordre de 1% Ni et >5 g/t de Pt (tableau 2.2). Pour expliquer ces concentrations, l'existence d'un mécanisme d'enrichissement est nécessaire, un de ces mécanismes est le processus de l'immiscibilité des liquides ("liquid immiscibility").
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1 les chondrites sont des météorites pierreuses ("stony meteorites") constituées de chondres ou sphérules de quelques microns à quelques millimètres de diamètre constitués principalement d'olivine et/ou d'orthopyroxène dans une matrice silicatée et des minéraux riches en Ni-Fe, en partie aussi Ni-Fe métallique.
2 Météorites dans lesquels les métaux sont prédominants, surtout Fe et Ni.

Tableau 2.2 Occurences et importance des gisements magmafiques. (Modifié de Edwards & Atkinson, 1986)
1.4.1       Immiscibilité d'un liquide sulfuré (Ni, Ni-Cu, PGE)
A haute température le liquide sulfuré est en solution dans le magma silicaté, à des températures plus basses, il est immiscible et de petites gouttes de liquide sulfuré apparaissent dans le liquide silicaté.
Les éléments de transition du groupe VIII (Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt) ne sont pas seulement sidérophiles mais aussi chalcophiles. Ces éléments vont par conséquent se concentrer dans la phase sulfurée avec des facteurs d'enrichissement de 100 à 100.000 fois par rapport au contenu initial dans le magma. De cette façon, pyrrhotine, pentlandite et pyrite, entre autres, cristallisent.
Le Ni, à haute température, se trouve sous la forme de "monosulfide solid solution" ou "Mss" ((Fe,Ni) 1-x S ), qui à environs 400°C se sépare en pyrrhotine et pentlandite.
Le platine apparaît sous la forme d'alliage avec l'iridium, l'osmium, le palladium, le rhutenium et le rhodium. Il peut aussi être accompagné par l'or, il peut aussi apparaître sous forme de sulfures ou arséniures (sperrylite).
Mais la cristallisation de petites gouttes de liquide sulfuré plus au moins enrichi en Ni, Cu et PGE ne forme pas encore un gisement. On doit faire appel à un mécanisme pour concentrer cette phase immiscible sulfurée qui, dans des conditions normales, formerait seulement des sulfures disséminés de teneur trop basse pour être exploités.
Pour obtenir une concentration de sulfures importante à partir de petites concentrations initiales, des chambres magmatiques gigantesques sont nécessaires. C'est le cas dans les "layered mafic intrusions" (comme à Bushveldt et Sudbury).
Une autre possibilité est l'extraction des liquides segrégués et leur injection dehors de la chambre magmatique pour former de corps massifs de sulfures dans des autres roches. Un processus pour expliquer cette extraction est le "filter pressing" (Fig 2.5). Le magma partiellement cristallisé, contient un liquide interstitiel qui peut être riche en sulfures et peut aussi englober des cristaux d'oxydes (p. ex. chromite) de petite taille. La compression tectonique peut expulser la partie encore liquide hors de la chambre magmatique et former des corps de minerai d'allure filonienne.
Exemples de Gisements:
                - Gisements de Ni dans des laves komatitiques (Kambalda, Abitibi, Zimbabwe)
                - Gisements de Ni-Cu dans des gabbros (Sudbury en Ontario (Canada), Duluth, Norinsk en Russie)
1.4.2       Immiscibilité de liquide riche en oxydes de Fe-Ti-P
La cristallisation d'un liquide riche en oxydes de Fe-Ti est le processus principal invoqué pour certains gisements de Fe-Ti riches en phosphore (sous la forme d'apatite).
D'un point de vue économique, ces gisements sont surtout exploités pour le Ti (ilmenite et magnétite tinanifère) car le Fe est surtout exploité dans d'autres gisements.
Exemples de gisements: Oxydes de Fe-Ti en anorthosites: (Sandford Lake état de New York, Allard Lake au Canada)
 
1.5       Grands types de gisements asspciés aux roches maphiques et ultramaphiques.
Gisements de Cr formés par cristallisation fractionnée à partir d'un magma mafique
Giments de PGE-(Au) formés par immiscibilité d'une phase sulfurée à partir d'un magma mafique
 Gisements de Ni-Cu formés par immiscibilité d'une phase sulfurée à partir d'un magma mafique
Gisements d'oxydes de Fe et Ti formés par immiscibilité d'une phase d'oxydes à partir d'un magma mafique
Gisements de diamants associés à des intrusions alcalines
Gisements de Cu, P et terres rares dans des magmas carbonatitiques, donc ayant subi une différentiation extrême
Pegmatites
Gisements de type "Greisen" .
 
 

 
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4) Géochimie des isotopes stables S1 du M1 (= géochimie Isotopique II dans le programme affiché)

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6) Atlas des minéraux des minerais (LAGTE2, ST3, IGS4)

7) Atlas métallographie sous miccroscope à lumière réfléchie (ST3 RME, IGS4 et autres...)

8) Inclusions fluides pour la métallogénie et la géologie des bassins sédimentaires et des réservoirs (ST3 RME, IGS 4 et MASTERS ST)


 
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