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Soutenance de thèse de Valentin Casola - 31 août 2021 - 9h30

Manteau source et genèse des magmas parents des carbonatites (principaux gisements de REE sur Terre)

Manteau source et genèse des magmas parents des carbonatites (principaux gisements de REE sur Terre)

Résumé :

Les Terres Rares (REE), famille d’éléments chimiques avec une grande importance économique, 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 : certains démontrent que les carbonatites se forment directement par fusion partielle d’un manteau enrichi en carbone, alors que d’autres favorisent une formation par différenciation extrême puis immiscibilité à partir d’un magma silicaté alcalin.

Ce projet, intégré dans l’ANR GECO-REE, se base sur une étude pétro-géochimique des xénolites mantelliques recueillis autour de l’Oldoinyo Lengai (OL ; Tanzanie), le seul volcan actif émettant des carbonatites, pour améliorer notre connaissance de la genèse des magmas carbonatitiques et alcalins associés.

Cette thèse apporte de nouvelles contraintes sur la nature du manteau lithosphérique N-Tanzanien, interprété dans la littérature comme fortement impliqué dans la genèse des carbonatites. Ce projet vise à caractériser le manteau lithosphérique et la nature des premiers magmas issus de sa fusion. 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.

La plupart des xénolithes présentent des phases métasomatiques et certaines contiennent des veines cumulatives de pyroxénites formées à partir de l’agent métasomatiques. Les covariations chimiques entre les phases des péridotites permettent d’établir un modèle géochimique où tous les échantillons ont été refertilisés par un unique épisode métasomatique. Ce modèle intégré, basé sur une large série d’échantillons, simplifie ceux de la littérature proposant plusieurs épisodes métasomatiques distincts dans le manteau de la région.

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≈+25‰, et δ13C≈ de -23 à 0.5‰. Ceci soutient la formation pédogénique de ces carbonates après la mise en place des xénolithes en surface, 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 et/ou 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). La littérature et les résultats de cette thèse montrent que la présence de ces lithologies métasomatiques est généralisée dans le manteau N-Tanzanien.

La partie expérimentale de cette thèse permet de comprendre le lien entre la fusion partielle de ces veines métasomatiques et la genèse des magmas primaires de la région. Ainsi, la fusion d’une veine métasomatique naturelle provenant de nos échantillons forme les magmas alcalins silicatés les plus riches en CO2 (jusqu’à 7.2%) et H2O (jusqu’à 5.8%) expérimentalement produits depuis un protolithe naturel. Les analyses géochimiques de ces magmas montrent que la fusion des veines de pyroxénites à phlogopites forme des magmas dont les compositions suggèrent leur implication dans la genèse des magmas primitifs de la région.

Ainsi, ces résultats suggèrent que la fusion partielle des veines fertiles d’un manteau métasomatisé participe à la formation des magmas parents des carbonatites.

Abstract :

Rare Earth Elements (REE) are a family of chemical elements of strategic importance which are used in numerous industrialized products. The main sources of REE are lavas and carbonatite intrusions. Carbonatites are rare, carbonate-rich lavas, whose origin remains underconstrained : some studies show that carbonatites directly derive from the melting of a C-rich mantle, while others promote the formation by protracted differentiation and immiscibility from silicate magmas. This project takes part in the ANR GECO-REE, and 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. This PhD work brings new constraints on the nature of the carbonatites’ lithospheric mantle source, and the primary magmas derived from its partial melting. 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. Most of the xenoliths host metasomatic phases, and some contain cumulative pyroxenite veins formed from the metasomatic agent. The chemical covariations between the various phases of the peridotites made it possible to establish a geochemical model where all the samples were refertilized by a single metasomatic episode. This model simplifies the previous ones from the literature which hitherto proposed several distinct metasomatic episodes in the Tanzanian mantle. 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 isotopic compositions with δ18O≈+25‰, and δ13C≈ from -23 to 0.5‰. These data support the pedogenic formation of these carbonates, and therefore refute 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 and / or 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). Literature and the results of this thesis show that the presence of these metasomatic lithologies is generalized in the N-Tanzanian mantle. The experimental part of this thesis allows us to understand the link between the partial melting of these metasomatic veins and the genesis of the Tanzanian primary magmas. Thus, 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 (CO2 up to 7.2% and H2O up to 5.8%). Geochemical analyses of these experimental magmas show that 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. 

Jury :

Directeurs de thèse

Dr. Lydéric France - Maître de conférences (HDR) - Université de Lorraine (France) ; CRPG - directeur de thèse

Dr. Etienne Deloule - Directeur de recherche - CNRS (France) ; CRPG - co-directeur de thèse

Dr. Didier Laporte - Directeur de recherche - CNRS (France) ; LMV - co-encadrant de thèse

Rapporteurs

Dr. Fleurice Parat - Maître de conférences (HDR) - Université de Montpellier ; Géosciences Montpellier (France)

Dr. Michel Grégoire - Directeur de recherche - CNRS (France) ; GET

Examinateurs

Dr. Sébastien Pilet - Professeur - Université de Lausanne - (Suisse) ; ISTE

Dr. Emilie Thomassot - Maître de conférences - Université de Lorraine (France) ; CRPG

Dr. Gilles Chazot - Professeur - Université de Bretagne Occidentale (France) ; IUEM




publié mercredi 25 août 2021