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Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

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1 Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques

2 Eléments en trace: Généralités Faibles concentrations (ppm) Fortes variations Très sensibles au processus de différentiation

3 Eléments en trace les plus utilisés Métaux de transition Sc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu et Zn Lanthanides (Terres rares) Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Cs, Ba, Hf, Ta, Pb, Th et U

4 Eléments majeurs: concentrations controlées par la stoechiométrie des minéraux Eléments en trace: concentrations controlées par la concentration dans le système et les coefficients de distribution Si la concentration dun élément en trace double dans le système, sa concentration double dans toute les phases

5 Majeurs Traces Daprès cours en ligne de Winter

6 Incorporation dun élément dans un minéral dépend de sa compatibilité avec les sites ioniques de ce minéral. Deux facteurs contrôlent la compatibilité dun élément: (1) le rayon ionique de lélément (2) la valence de l'élément

7 Distribution des éléments Règles de Goldschmidt (simpliste, mais utile) 1.2 ions de même valence et rayon se substituent facilement et forment une solution solide. 2.Si 2 ions sont de même valence et de rayon similaire, le plus petit est incorporé préfèrentiellement dans le solide. 3.Si 2 ions ont le même rayon mais des valences différentes, lion qui a la charge la plus élevée sera incorporé préférentiellement dans le solide.

8 Fo - Fa (Mg 2 SiO 4 - Fe 2 SiO 4 ) Système Olivine Fig Isobaric T-X phase diagram at atmospheric pressure After Bowen and Shairer (1932), Amer. J. Sci. 5th Ser., 24, Mg plus petit que Fe (Mg/Fe) solide > (Mg/Fe) liquide Daprès cours en ligne de Winter

9 Echange à léquilibre dun élément i entre deux phases (solide et liquide) i (liquide) i (solide) K D = K D =C s /C l K D ou D: Coefficient de distribution ou de partage X solide X liquide i i Daprès cours en ligne de Winter

10 l Les éléments incompatibles se concentrent dans le liquide K D ou D « 1 l Les éléments compatibles se concentrent dans le solide K D or D » 1 Daprès cours en ligne de Winter

11 Plagioclase (An 89) Clinopyroxène (Di 89) Blundy and Wood, 1994

12 Eléments incompatibles Éléments à potentiel ionique faible (large ion lithophile elements – LILE) K + (1.64 Å), Rb + (1.72 Å), Cs + (1.88 Å), Sr 2+ (1.26 Å), Ba 2+ (1.61 Å), Pb 2+ (1.29 Å). Eléments mobiles, particulièrement dans les phases fluides Exceptions: K et Ba micas K et Ba feldspaths alcalins Sr plagioclase Concentrés dans la croûte

13 Eléments incompatibles Éléments à potentiel ionique élevé (high field strength elements - HFSE) REE, Zr 4+ (0.84 Å), Hf 4+ (0.83 Å), Nb 5+ (0.64 Å), Ta 5+ (0.65 Å), Ti 4+ (0.76 Å), Th 4+ (1.05 Å). Exception: cristallisation de phases accessoires (zircon, monazite) Eléments non mobiles

14 Eléments en trace compatibles Eléments petits à faible valence: Ni, Cr, Cu, W, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt et Au

15

16 Les coefficients de distribution varient: Avec la température (D augmente lorsque T baisse) Avec la composition chimique du liquide Détermination des coefficients de distribution: Comparaison « phénocristaux-matrice » de roches volcaniques Pétrologie expérimentale

17 Coefficient de distribution globale D dune roche: D i = W A D i W A = weight % du mineral A dans la roche D i = coefficient de lélément i dans lemineral A A A Daprès cours en ligne de Winter

18 Example: lherzolite à grenat = 60% olivine, 25% orthopyroxene, 10% clinopyroxene, and 5% D Er = (0.6 · 0.026) + (0.25 · 0.23) + (0.10 · 0.583) + (0.05 · 4.7) = Daprès cours en ligne de Winter

19 Figure 9-1a. Ni Harker Diagram for Crater Lake. From data compiled by Rick Conrey. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Daprès cours en ligne de Winter Les éléments en trace lorsquils sont fortement compatible dans un minéral permettent de tracer la cristallisation de ce minéral

20 Figure 9-1b. Zr Harker Diagram for Crater Lake. From data compiled by Rick Conrey. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Daprès cours en ligne de Winter

21 La proportion dun élément en trace dans une phase dépend linéairement de la proportion de lélément dans le système (Henrys law). Pour identifier le comportement dun minéral, on utilise préférentiellement les rapports délément en trace Exemple: Amphibole: D K =1; D Rb =0.3 K/Rb bas suggère une concentration de Rb dans le liquide due à la cristallisation damphiboles

22 s Sr incompatible dans la plupart des phases sauf le plagioclase s Ba incompatible dans la plupart des phases sauf les feldspath alkalins s Comment interpréter une augmentation de Ba/Sr ? s Comment interpréter une diminution du Ba/Sr ? Daprès cours en ligne de Winter

23 Utilisation déléments compatible: l Fractionation de Ni olivine > pyroxene l Cr et Sc pyroxenes » olivine l Ni/Cr ou Ni/Sc permettent de distinguer la cristallisation de lolivine et du Pyroxène Daprès cours en ligne de Winter

24 Modèles dévolution magmatiques Fusion à léquilibre ou Batch Melting C L = Concentration en de lélément en trace dans le liquide C O = Concentration en de lélément en trace dans la roche avant fusion F = fraction de liquide produit = liquide/(liquide + roche) C C 1 DiDi (1F)F L O Daprès cours en ligne de Winter

25 Batch Melting F D i = 1.0 F C L /C O = 1 Figure 9-2. Variation in the relative concentration of a trace element in a liquid vs. source rock as a fiunction of D and the fraction melted, using equation (9-5) for equilibrium batch melting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. C C 1 DiDi (1F)F L O Daprès cours en ligne de Winter

26 D i » 1.0 (élement compatible) F Faible concentration dans le liquide pour F petit Figure 9-2. Variation in the relative concentration of a trace element in a liquid vs. source rock as a fiunction of D and the fraction melted, using equation (9-5) for equilibrium batch melting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. C C 1 DiDi (1F)F L O Batch Melting Daprès cours en ligne de Winter

27 Elements fortement incompatible: F Fortement concentré dans la fraction initiale de liquide Figure 9-2. Variation in the relative concentration of a trace element in a liquid vs. source rock as a fiunction of D and the fraction melted, using equation (9-5) for equilibrium batch melting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. C C 1 DiDi (1F)F L O Batch Melting Daprès cours en ligne de Winter

28 F 1 C L /C O 1 C C 1 DiDi (1F)F L O Figure 9-2. Variation in the relative concentration of a trace element in a liquid vs. source rock as a fiunction of D and the fraction melted, using equation (9-5) for equilibrium batch melting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Batch Melting Daprès cours en ligne de Winter

29 F 0 C L /C O 1/D i Figure 9-2. Variation in the relative concentration of a trace element in a liquid vs. source rock as a fiunction of D and the fraction melted, using equation (9-5) for equilibrium batch melting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Batch Melting C C 1 DiDi (1F)F L O Daprès cours en ligne de Winter

30 Eléments très incompatible: D i 0 C C 1 F L O C C 1 DiDi (1F)F L O donc Daprès cours en ligne de Winter

31 Cristallisation à léquilibre Processus inverse de la fusion partielle à léquilibre (batch meling) C C 1 DiDi (1F)F L O C L = Concentration en de lélément en trace dans le liquide C O = Concentration en de lélément en trace dans le liquide avant cristallisation F = fraction de liquide restant = liquide/(liquide + roche) Daprès cours en ligne de Winter

32 Fractionation de Rayleigh Cristallisation fractionée idéalisée: chaque cristal se sépare du liquide dès quil se forme F Concentration des éléments dans le liquide résiduel, C L : C L /C O = F (D -1) Equation de Rayleigh Marche aussi pour la fusion fractionnée Daprès cours en ligne de Winter

33 Les Terres Rares (REE)

34 Les terres rares sont incompatibles Etat doxidation : 3+ (exception Eu 2+ et Ce 4+ ) Rayon ionique diminue avec laugmentation du nombre atomic (lanthanide contraction) HREE sont moins incompatibles (en particulier dans le grenat) Eu 2+ compatible dans le plagioclase Daprès cours en ligne de Winter

35 Diagrames REE Axe x: Concentration sur lordonnée Axe y: terre rare avec nombre atomique croissant F Compatibilité augmente de gauche à droite Concentration La Ce Nd Sm Eu Tb Er Dy Yb Lu Daprès cours en ligne de Winter

36 F Elimination de l effet Oddo-Harkins en normalisant avec un standard s Chondrites (terre primitive) s Estimation du manteau primordial Daprès cours en ligne de Winter

37 Model de Batch melting pour une lerzholite à grenat à differents degrés de fusion Figure 9-4. Rare Earth concentrations (normalized to chondrite) for melts produced at various values of F via melting of a hypothetical garnet lherzolite using the batch melting model (equation 9-5). From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Daprès cours en ligne de Winter

38 Grenat concentre et fractionne les HREE Forte pente en REE et HREE Fusion partielle superficielle (< 40 km) plagioclase dans le residu et anomalie dEu Daprès cours en ligne de Winter

39 l Anomalie dEuropium : Fractionation du plagioclase Fusion partielle dune source contenant du plagioclase Figure 9-5. REE diagram for 10% batch melting of a hypothetical lherzolite with 20% plagioclase, resulting in a pronounced negative Europium anomaly. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall. Daprès cours en ligne de Winter

40 sample/chondrite La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu 67% Ol 17% Opx 17% Cpx sample/chondrite La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu 57% Ol 14% Opx 14% Cpx 14% Grt sample/chondrite 60% Ol 15% Opx 15% Cpx 10%Plag La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu Daprès cours en ligne de Winter

41 Spider Diagrams Extension des diagrames REE à un spectre plus large déléments Fig Spider diagram for an alkaline basalt from Gough Island, southern Atlantic. After Sun and MacDonough (1989). In A. D. Saunders and M. J. Norry (eds.), Magmatism in the Ocean Basins. Geol. Soc. London Spec. Publ., 42. pp Incompatiblilté augmente de gauche à droite Différentes estimations différents arrangements Daprès cours en ligne de Winter

42 Spider Diagrams Fig Spider diagram for an alkaline basalt from Gough Island, southern Atlantic. After Sun and MacDonough (1989). In A. D. Saunders and M. J. Norry (eds.), Magmatism in the Ocean Basins. Geol. Soc. London Spec. Publ., 42. pp Tous les éléments sont incompatibles, sauf: Sr dans le plagioclase Y et Yb dans le grenat Ti dans la magnétite Daprès cours en ligne de Winter

43 Éléments à potentiel ionique faible (large ion lithophile elements – LILE) K + (1.64 Å), Rb + (1.72 Å), Cs + (1.88 Å), Sr 2+ (1.26 Å), Ba 2+ (1.61 Å), Pb 2+ (1.29 Å). Eléments mobiles, particulièrement dans les phases fluides Facilement extrait du manteau et donc concentré dans la croûte continentale Ba et Rb élevé suggère du métasomatisme ou de la contamination crustale Fig Spider diagram for an alkaline basalt from Gough Island, southern Atlantic. After Sun and MacDonough (1989). In A. D. Saunders and M. J. Norry (eds.), Magmatism in the Ocean Basins. Geol. Soc. London Spec. Publ., 42. pp

44 Table 9-6 A brief summary of some particularly useful trace elements in igneous petrology Element Use as a petrogenetic indicator Ni, Co, CrHighly compatible elements. Ni (and Co) are concentrated in olivine, and Cr in spinel and clinopyroxene. High concentrations indicate a mantle source. V, TiBoth show strong fractionation into Fe-Ti oxides (ilmenite or titanomagnetite). If they behave differently, Ti probably fractionates into an accessory phase, such as sphene or rutile. Zr, HfVery incompatible elements that do not substitute into major silicate phases (although they may replace Ti in sphene or rutile). Ba, RbIncompatible element that substitutes for K in K-feldspar, micas, or hornblende. Rb substitutes less readily in hornblende than K-spar and micas, such that the K/Ba ratio may distinguish these phases. SrSubstitutes for Ca in plagioclase (but not in pyroxene), and, to a lesser extent, for K in K- feldspar. Behaves as a compatible element at low pressure where plagioclase forms early, but as an incompatible at higher pressure where plagioclase is no longer stable. REEGarnet accommodates the HREE more than the LREE, and orthopyroxene and hornblende do so to a lesser degree. Sphene and plagioclase accommodates more LREE. Eu 2+ is strongly partitioned into plagioclase. YCommonly incompatible (like HREE). Strongly partitioned into garnet and amphibole. Sphene and apatite also concentrate Y, so the presence of these as accessories could have a significant effect. Table 9-6. After Green (1980). Tectonophys., 63, From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

45 Figure 9-8. (a) after Pearce and Cann (1973), Earth Planet, Sci. Lett., 19, (b) after Pearce (1982) in Thorpe (ed.), Andesites: Orogenic andesites and related rocks. Wiley. Chichester. pp , Coish et al. (1986), Amer. J. Sci., 286, (c) after Mullen (1983), Earth Planet. Sci. Lett., 62, Réservoirs Mantelliques


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