GEOCHIMIE APPLIQUEE

LES ELEMENTS EN TRACE DANS LES SYSTEMES IGNES

Avertissement : Ce support de cours n’a pour objectif que de familiariser l’étudiant avec les concepts de la géochimie des éléments en trace. Il n’apporte que les bases des connaissances. La présence et la prise de notes pendant le cours magistral sont de plus grande importance ainsi que la consultation de ressources bibliographiques ou électroniques. L’acquisition de la « culture » géochimique par l’étudiant dépend aussi de sa pratique personnelle et de son engagement dans les différentes activités liées à ce cours.

I) INTRODUCTION:

Dans ce cours nous allons analyser le comportement des éléments en trace, notamment dans les magmas, et introduire les méthodes pour modéliser ce comportement.

Quoique les éléments de trace, par définition, constituent seulement une petite fraction du système magmatique considéré, ils fournissent d’importantes informations géochimiques et géologiques. Il y a plusieurs raisons à cela : i) les variations dans les concentrations de plusieurs éléments en trace sont beaucoup plus importantes que celles des variations dans les concentrations des éléments majeurs ; ii) il y a beaucoup plus d'éléments de trace que d'éléments majeurs ; dans les systèmes géochimiques, il y a environ dix éléments majeurs qui constituent plus de 99% de la totalité du système. Il reste 80 éléments en trace. Chaque élément a des propriétés chimiques qui sont à différents égards uniques. Ces 80 éléments en trace contiennent souvent des informations qui n’apparaissent pas dans les concentrations des éléments majeurs  (les éléments en trace ne sont souvent pas stoichiométriques); iii) l’essentiel du comportement des éléments en trace est large et dans l’ensemble ils sont très sensibles à certains processus qui n’affectent pas les éléments majeurs. L’exemple le plus typique concerne la profondeur à laquelle s’effectue la FP dans le manteau supérieur. Quand le manteau fond, il produit des liquides dont la composition est peu dépendante de la pression car il produit toujours des liquides de composition basaltique. Certains éléments en trace sont cependant très sensibles à la profondeur de fusion (car les paragenèses sont dépendantes de la pression).

Par voie de csq, à une échelle plus large, la composition du manteau terrestre apparaît être relativement homogène ou uniforme en terme d’éléments majeurs (du moins les parties à l’origine des liquides basaltiques). Il est donc très difficile de démontrer la moindre hétérogénéité du manteau sur la base de la chimie des majeurs des magmas produits. En revanche, il a été largement démontré que les teneurs en éléments en trace sont variables. Combinés aux rapports isotopiques, ils donnent des empruntes chimiques aux différents réservoirs du manteau.

Les éléments en trace ont été largement utilisés pour comprendre l’évolution de la Terre. Ce que nous connaissons du manteau, du noyau et de la croûte vient de l’étude des variations des teneurs en éléments en trace : Par exemple

• l’abondance de certains éléments sidérophiles (Fe, Ni, Co….) dans le manteau et dans les roches qui en sont issue (durant les temps géologiques) laisse à penser que la séparation du noyau riche en Fe et Ni a été totalement effectuée avant que la Terre ne se soit différenciée à partir des nuages, des gaz et des poussières entourant la nébuleuse solaire.
• une grande partie du manteau supérieur a subi des processus de FP à plusieurs endroits. Les mélanges fondus produits ont créé au cours du temps la CC. C’est LA CROISSANCE CRUSTALE
• A partir des traces de gaz dans le manteau et de leur composition isotopique, nous pouvons conclure que la partie solide de la Terre a du subir un dégazage massif durant les quelques premières centaines de millions d’année de la vie de la Terre (origine probable de l’hydro et l’atmosphère).
• Comme nous le verrons plus loin un magma d’un contexte tectonique tend à donner des spectres de l’abondance des éléments en trace. Cela amène à définir les paléo contextes géotectoniques.

Notre but ici est relatif aux processus ignés. Les éléments en trace sont utilisés pour résoudre d’autres Pb géologiques. Par exemple les éléments en trace peuvent apporter des réponses à l’origine des gîtes métallifères. Les concentrations en éléments en trace comme le Cadmium dans les marges fossiles d’anciens océans et la concentration du Sr dans les coraux donnent des mesures de la T dans les anciennes mers. Donc les éléments en trace sont un très bon outil géochimique à travers toutes les sciences de la Terre.

Nous nous proposons de considérer ici :

• Les propriétés chimiques des différents groupes d’éléments avec une attention particulière sur leur présence dans la nature ;
• Les aspects quantitatifs expliquant la distribution des éléments en trace
• Le coefficient de répartition, outil de base et d’examiner ses variation en fonction de la T, P, composition ;
• Les équations qui prédisent le comportement des éléments en trace durant les processus magmatiques : la FP ; la CF.

La compréhension du comportement des éléments en trace permet de comprendre et de discuter la géochimie isotopique des magmas car tous les éléments radioactifs et radiogéniques sont à une exception près des éléments en trace.

II) Qu’est ce qu’un élément en trace

Terme difficile à définir. Pour les systèmes ignés et métamorphiques une définition pratique peut être :

Les éléments en trace sont les éléments qui ne sont pas des constituants stoechiométriques¹ du système considéré. Cette définition est quelque peu biaisée : un élément en trace dans un système ne l’est pas dans un autre. Par exemple le K est un élément en trace dans les basaltes de type MORB car ses teneurs n’excèdent pas le 1500 ppm, mais le K est un élément majeur dans les roches granitiques. Pour plusieurs roches silicatées O, Si, Al, Na, Mg, Ca et Fe sont des éléments majeurs. H, C, S, K, P, Ti, Cr et Mn sont souvent majeurs dans le sens qu’ils peuvent être des constituants stoechiométriques des phases. Ils sont décrits comme des éléments mineurs. Tous les autres éléments restants sont des éléments en trace avec l’exception de rares mais importants cas des pegmatites et des gîtes métallifères.

Cette situation n’est pas valable pour les fluides et les eaux naturelles car il n’existe qu’une seule phase (le fluide) qui n’est pas stoechiométrique. Dans les eaux de mer, tout ce qui est autre que le Cl-, SO42-, CO32-, HCO3-, Mg2+, Ca2+, K+,et Na+ (et H20) peut être considéré comme un élément en trace alors que Sr2+, HBO3- et Br- sont souvent considérés comme des constituants majeurs. Ces trois derniers éléments forment plus de 99,99% des éléments dissous dans l’eau de mer.

Les éléments en trace dans les roches et dans les eaux de mer ont une seule chose en commun : Ils n’affectent jamais considérablement les propriétés physico-chimiques du système dans son ensemble. Cela pourrait constituer une définition. Cependant, les éléments en trace (et les éléments mineurs) peuvent déterminer la couleur du minéral (couleur verte du spinelle chromifère par exemple). Le CO2, avec une concentration dans l’atmosphère de seulement 360ppm, affecte profondément sa transparence aux radiations infra-rouges et donc le climat de la Terre. Ainsi à de faibles proportions, l’ozone dans l’atmosphère supérieure contrôle la transparence à des radiations ultraviolettes. Cette définition n’est donc pas non plus satisfaisante.