Immiscibilité dans les magmas et gisements de fer
Publié par Redbran le 25/04/2018 à 12:00
Source: Université de Liège
Une équipe de chercheurs, dont des scientfiques du Laboratoire de Pétrologie, Géochimie et Pétrophysique – Unité de recherche GEOLOGY (Faculté des Sciences), vient de mettre le doigt sur un procédé de production d'un liquide enrichi en fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le...) à l'origine de gisements importants. La clé se trouve dans l'immiscibilité des magmas dans les gisements de type "Kiruna". Cette découverte vient de faire l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par...) d'une publication dans Nature Communications (1).


Fig1: Image au microscope électronique d'une expérience réalisée à 1020°C et 1 kbar mettant en évidence la séparation d'un liquide (La phase liquide est un état de la matière. Sous cette forme, la matière est facilement déformable mais difficilement compressible.) magmatique enrichi en silice et d'un liquide enrichi en fer. Des cristaux de magnétite et d'apatite sont présents dans le magma riche en fer.
Figure 2: Illustration schématique du processus d'immiscibilité dans les magmas menant à la formation d'un gisement de fer. En noir, un liquide très enrichi en fer se sépare d'un magma enrichi en silice (en jaune). Ce processus peut être favorisé par le dégazage de la chambre magmatique (fumerolles volcaniques en surface) et par l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) avec des couches de roches sédimentaires (évaporites, niveau clair sur l'image). ©Mark Garlick.

Le fer est le métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les métaux...) le plus exploité sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes....). Bien que les techniques de recyclage (Le recyclage est un procédé de traitement des déchets industriels et des déchets ménagers qui permet de réintroduire, dans le cycle de production d'un produit, des...) des métaux évoluent de façon constante, l'exploitation des ressources naturelles reste cependant indispensable au développement de la société. Des processus spécifiques dans les magmas, les fluides et les sédiments sont nécessaires pour mener à un enrichissement local en fer, et donc pour former un gisement exploitable. Mais avant d'exploiter un gisement, il faut pouvoir le localiser. Et c'est là que la compréhension des processus métallogéniques, l'étude des gisements et de leur genèse, prend toute son importance.

"Nous nous sommes intéressés aux gisements de type "kiruna" - ou "iron oxide-apatite ore" en référence à leurs minéraux principaux - explique Bernard Charlier, Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de recherche sont diversifiés et...) Qualifié au F.R.S.-FNRS au sein du Laboratoire de Pétrologie, Géochimie et Pétrophysique (Unité de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...) GEOLOGY). Ce type de gisements au sein duquel pourrait se produire l'immiscibilité, un processus tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) à fait particulier dans des magmas, représente une part importante des ressources mondiales en fer." Ce processus d'immiscibilité, Bernard Charlier et ses collègues s'y intéressent depuis quelques années. "Un peu comme l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) et l'huile (L'huile est un terme générique désignant des matières grasses qui sont à l'état liquide à température ambiante et qui ne se...) qui ne se mélangent pas, certains magmas se séparent en deux compositions distinctes durant leur phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) de refroidissement. Les deux magmas ainsi produits peuvent avoir des compositions très différentes et l'un des deux peut présenter une composition plus enrichie en fer." C'est la découverte et l'étude de l'importance de ce processus d'immiscilibité dans les magmas par des chercheurs de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux...) de Liège et de la KU Leuven notament qui a fait l'objet d'un article scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes...) dans la revue internationale Nature Communications(1).

"L'étude des roches naturelles n'avait jusqu'à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit heure...) pas permis de distinguer clairement les processus impliqués dans l'enrichissement en fer, reprend Tong Hou, premier auteur de la publication et post-doctorant Marie-Curie . Nous avons étudié le problème en laboratoire par une approche originale: la pétrologie expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il...). Cette approche permet en effet de reconstituer dans des fours et des presses les conditions de haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante,...) et pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) qui règnent dans les chambres magmatiques présentes dans la croûte terrestre (La croûte terrestre est la partie superficielle et solide du matériau dont est faite la Terre. C'est la partie supérieure de la lithosphère (qui constitue les plaques tectoniques).). Cette méthode permet de comprendre les mécanismes actifs dans l'évolution des magmas lors de leur refroidissement.

L'approche expérimentale et l'application au systèmes naturels

Les nouvelles expériences réalisées à des températures d'environ 1.000°C et des pressions de 1 kbar (soit 1.000 fois la pression atmosphérique) permettent d'identifier les conditions nécessaires pour séparer les deux magmas, dont l'un pourra être à l'origine d'un gisement de fer (Fig.1). Les résultats montrent l'importance de la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) d'eau dissoute et du degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) d'oxydation du magma pour la création des gisements. Ces nouvelles données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) montrent sans équivoque que dans la nature de nombreux magmas sont capables d'atteindre des conditions appropriées pour mener à l'immiscibilité de deux liquides et donc à la source de minerais.

Des gisements de type Kiruna existent dans le monde (Le mot monde peut désigner :) entier: Suède, Chili, Chine, Iran, Etats-Unis, ...
Ces roches anciennes ont été formées dans des environnements volcaniques actifs (Fig 2). En effet, les chambres magmatiques situées à l'intérieur de la croûte terrestre sont souvent connectées en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement confondu...) à des systèmes volcaniques. "L'étude que nous avons menée montre aussi l'importance de divers processus naturels tels que la décompression et le dégazage, ainsi que l'interaction des magmas avec les roches encaissantes (des évaporites par exemple), commente Bernard Charlier. L'étude ouvre donc de nouvelles perspectives pour comprendre les roches naturelles et les différents gisements qui ont leurs propres caractéristiques.

L'Europe (L’Europe est une région terrestre qui peut être considérée comme un continent à part entière, mais aussi comme l’extrémité occidentale du continent eurasiatique, voire...) est devenue largement dépendante des autres continents dans son approvisionnement en ressources minérales. Une liste d'éléments critiques a d'ailleurs été établie. Elle inclut certains éléments présents dans les gisements de fer de type Kiruna: les terres rares (Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium 21Sc, l'yttrium 39Y et les quinze lanthanides.), le phosphore (Le phosphore est un élément chimique de la famille des pnictogènes, de symbole P et de numéro atomique 15.) et le fluor (Le fluor est un élément chimique de symbole F et de numéro atomique 9. Il s'agit du premier élément de la famille des halogènes, de masse atomique...). Le processus d'immiscibilité est intimement lié à l'enrichissement en ces éléments. Comprendre les processus à l'origine des gisements permet de développer des clés utiles à l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) et à la découverte de nouvelles ressources.

Référence scientifique:
(1) Hou T, Charlier B, Holtz F, Veksler IV, Thomas R, Zhang Z, Namur (Namur (en wallon Nameur, en néerlandais Namen) est une ville et commune francophone de Belgique, capitale de la Région wallonne, chef-lieu de la province de Namur.) O (2018) Immiscible hydrous Fe-Ca-P melt and the origin of iron oxide-apatite ore deposits. Nature Communications.

Contact chercheur:
- Bernard CHARLIER - Unité de recherche GEOLOGY I Laboratoire de Pétrologie, Géochimie et Pétrophysique
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