GEOCHIMIE DU NIOBIUM ET DU TANTALE : 1 GEOCHIMIE DU NIOBIUM ET DU TANTALE : distribution et fractionnement de ces deux éléments dans les différents réservoirs terrestres. 2

Pourquoi s’intéresser au niobium et au tantale ? 2 Pourquoi s’intéresser au niobium et au tantale ?

Nb et Ta : 2 éléments trace au comportement particulier 3 Nb et Ta : 2 éléments trace au comportement particulier 1000 1000 Croûte CONTINENTALE OIB ARC Roche / Manteau primitif 100 100 10 10 1 1 Rb Ba Th Nb Ta La Ce Pr Sr Nd Zr Hf Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Rb Ba Th Nb Ta La Ce Pr Sr Nd Zr Hf Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Anomalie négative de Nb-Ta Anomalie positive de Nb-Ta »» Fractionnement de Nb-Ta par rapport aux autres éléments Variation des rapports Nb/Th et Ta/La

Nb et Ta : Réfractaires et lithophiles 4 Nb et Ta : Réfractaires et lithophiles Lithophile Hf Be Mg Ca Sr Ba Ti Zr Sc Y La Al Si Th U Ce Nd Yb Lu Dy Ho Er Tm Sm Eu Gd Tb Pr Pm V Cr Siderophile à HP Siderophile Fe Ru Os Co Rh Ir Ni Pd Pt Mo W Re Nb Ta Éléments REFRACTAIRES et transitionnels (McDonough & Sun, 1995)

(Nb/Ta) Terre silicatée 5 Implications de leur caractère réfractaire et lithophile Nb et Ta réfractaires Nb et Ta lithophiles Nb Ta Noyau Terre silicatée = Manteau primitif (Nb/Ta) chondritique = (Nb/Ta) Terre silicatée Nb Ta Chondrite : Terre non différenciée (Nb/Ta) terre globale = (Nb/Ta) reste du système solaire

Nb/Ta dans les différents réservoirs 6 Manteau lithosphérique ? Croûte continentale supérieure : <14 (Jochum & Hofmann, 1998) 12-13 (Barth et al., 2000) OIB : <17,5 (Jochum & Hofmann, 1996) 14,7-16,5 (Jochum et al., 1997) Croûte continentale inférieure ? MORB :15,5 (±1) (Jochum & Hofmann, 1998) Laves d’arcs : 17,1-29,7 (Stolz et al., 1996) <17,5 (Plank & White, 1995) 670 km D’’ Manteau Noyau 2900 km (d’après Kellogg et al.,1999) »» Réservoir caché avec Nb/Ta suprachondritique (>17,5) ?

7 Nos moyens…

Méthode d’analyse de Nb et Ta 8 Méthode d’analyse de Nb et Ta Avant 2 méthodes différentes XRF : Nb INAA : Ta Nb/Ta constant et chondritique (17,5) Actuellement 1 méthode : ICP-MS Mesures simultanées des 2 éléments (+ REE…) Limites de détections plus basses Meilleur précision sur le rapport Nb/Ta Analyse d’une plus grande varièté de roches Variations de Nb/Ta

Sélection des échantillons analysés par ICP-MS 9

10 Cette étude Une autre étude Cette étude Une autre étude Cette étude Francisco Nouvelle Zélande Cette étude Une autre étude Cette étude Une autre étude Cette étude Une autre étude

Les résultats des analyses ICP-MS en roche totale : 11 Les résultats des analyses ICP-MS en roche totale : A- t-on trouvé le réservoir suprachondritique ?

Nb/Th (0,5) Nb/Ta (1) 8,4 17,5 Arcs continentaux et intra-océaniques 0,01 1000 Roche /M.P. 90 60 Nb/Th (0,5) 8,4 Nb/Ta (1) 17,5 Nb/Ta Moyen 15,5 Croûte continentale supérieure 1 55 90 60 50 40 13,5 30 20 10 Croûte continentale inférieure 1 2 3 4 5 6 7 4 7 8 19,2 Lithosphère mantellique 1 20 30 23,8 35 55 25 MORB 1 14,4 13 23 Komatiites 1 15,2 16 90 OIB 1 NbTa 16,5 8,4 17,5

Manteau lithosphérique et croûte inférieure : 13 Manteau lithosphérique et croûte inférieure : Les réservoirs suprachondritiques manquants ???

Manteau lithosphérique basse température 10 1 0,1 0,01 Roche / manteau primitif Th Nb La Pr Sm Gd Dy Er Yb U Ta Ce Nd Eu Tb Ho Tm Lu Massif Central haute température 14 Manteau lithosphérique Craton du Kaapvaal »Microphases ? »Fluides carbonatés ? Solidification graduelle de magmas translithosphériques :

Les microphases (rutiles) enrichies en Nb et Ta 15 Les microphases (rutiles) enrichies en Nb et Ta clinopyroxene feldspath rutiles olivine 50 mm

Hétérogénéité de certains rutiles 16 Hétérogénéité de certains rutiles

Roches totales (ICP-MS) 17 Résultats des analyses à la microsonde électronique Roches totales (ICP-MS) Rutiles 9513-7 9513-13

Interventions de fluides carbonatés ? Lherzolites à spinelle 18 Interventions de fluides carbonatés ? Lherzolites à spinelle Barhatny (Sibérie) Carbonatites Tamazert (Maroc) 10 Roche /M.P. Roche /M.P. Roche /M.P. 1 0,1 0,01 Rb Th Nb La Pr Nd Hf Eu Tb Ho Tm Lu Ba U Ta Ce Sr Zr Sm Gd Dy Er Yb Rb Th Nb La Pr Nd Hf Eu Tb Ho Tm Lu Ba U Ta Ce Sr Zr Sm Gd Dy Er Yb

Nb/Ta et Nb/Th dans la crôute continentale 19 Nb/Ta et Nb/Th dans la crôute continentale Craton sino-coréen Hoggar Massif Central (Nb/Ta) normalisé M.P. 3 2 1 100 (Nb/Th) normalisé M.P. 10 1 0,1 0,01 Xénolites de base de croûte orthodérivés Xénolites de base de croûte paradérivés Croûte supérieure

20 (Base de l’arc) Nb/Ta Nb/Ta OIB MORB Th/La Th/La

15,6 Nb (ppm) Ta Nb/Ta Proportions Manteau lithosphérique 0,8 0,035 21 Les valeurs élevées de Nb/Ta dans la croûte inférieure et le manteau lithosphérique sont dûes à des processus de différenciation interne faisant intervenir des migrations de faibles fractions de liquides. Bilan à l’échelle de la lithosphère Nb (ppm) Ta (ppm) Nb/Ta Proportions Manteau lithosphérique 0,8 0,035 22,9 0,795 Croûte continentale 11,5 14,4 0,205 Lithosphère (calculée) 3,0 0,19 15,6

Traces du réservoir caché ??? 22 OIB : Traces du réservoir caché ???

23 87Sr/86Sr 87Sr/86Sr 206Pb/204 Pb Socièté Marquises Hawaii Socièté

24 Socièté Marquises 87Sr/86Sr Hawaii 206Pb/204 Pb

25 Nb/Th Nb/Ta Nb (ppm) Nb (ppm) 100 35 30 10 25 20 1 15 10 0,1 5 0,1 1000 0,1 1 10 100 1000 Nb (ppm) Nb (ppm) Base de l’arc obducté du Kohistan Vanuatu : laves d’arc intra-océanique Hoggar : laves d’arc intra-océanique ou continental Croûte continentale supérieure (cette étude + littérature) Pérou : laves d’arc continental

Et s’il y avait du Nb dans le noyau… 26 Et s’il y avait du Nb dans le noyau…

27 Paramètres de l’inversion du bilan de masse de Nb, Ta, Th, La dans la Terre Globale Les concentrations de ces 4 éléments dans la Terre Globale sont chondritiques (Sun & McDonough, 1995) Ta, Th et La sont strictement lithophiles  concentration nulle dans le noyau La concentration de Nb dans le noyau est inconnue (100% incertitude) L’information prise en compte sur les rapports Nb/Ta, Nb/Th et Ta/La est indépendante des concentrations. Les proportions massiques des réservoirs sont établies d’après des données géophysiques (Stacey, 1977; Taylor & McLennan, 1985, 1995; McDonough, 1990, Wedepohl, 1995)

Résultats de l’inversion : 28 Résultats de l’inversion : Répartition de Nb, Th, Ta, La dans les enveloppes terrestres (proportions massiques) 0,15 ppm Th Nb Ta La Noyau Croûte continentale supérieure Manteau lithosphérique Croûte continentale inférieure Manteau convectif

Log D (metal/silicate) 29 3 5+ slope 2 Core-mantle equilibrium FO2 4+ slope 1 Log D (metal/silicate) Siderophile Lithophile -1 Nb Si V P= 25 Gpa T= 2300°C -2 Cr Ta -3 -6 -5 -4 -3 -2 -1 Log FO2 (relative to IW) D’après Wade & Wood, 2001

CONCLUSION Pour la plupart des réservoirs de la Terre silicatée : Nb/Ta infrachondritique (<17,5) Seule, la couche à l’interface croûte/manteau (croûte inférieure + manteau lithosphérique) : Nb/Ta suprachondritique dû à la migration de faibles fractions de liquides ne contrebalance pas les valeurs infrachondritiques de Nb/Ta Candidats pour le réservoir ‘caché’ à Nb/Ta suprachondritique : Un réservoir non alimenté par les subductions et qui ne participe pas à la genèse des OIB (Nb/Ta) arcs = (Nb/Ta)manteau convectif (Nb/Ta) faible de la croûte continentale n’est pas un héritage de la subduction Pas de composant mantellique à Nb/Ta élevé dans la source des OIB Le noyau

Merci à tous ceux qui ont participé à ce travail : Jean-Louis Bodinier Claude Merlet Dmitri Ionov A l’ICP-MS : Simone Pourtalès, Liliane Savoyant, Olivier Bruguier Pour la constitution de la base de données : Marguerite Godard, Rosy Bedini, Xavier Lenoir, Olivier Alard, Laure Gerbert-Gaillard, Carlos Garrido. Pour le programme d’inversion : Jacques Vernières Pour la collecte , le prêt des échantillons …: Hans Barsczus, Walid Ben Ismaïl, Hervé Bertrand, Louis Briqueu, François Buscail, Renaud Caby, Jeronimo Cruz, Jean-Marie Dautria, Claude Dupuy, Yann lahaye, André Leyreloup, Jean-Michel Liotard, Hervé Martin, Philippe Munier, Pierre Sabaté, Yigang Xu. Pour la préparation des lames minces : Christophe Névado. Bernadette Marie , au secrétariat Tous les thésards pour leur bonne humeur…

Variations de Nb/Ta en fonction des teneurs en alcalins et SiO2 Relation avec le degré de fusion partielle 10 17 < Nb/Ta <20 9 8 14 < Nb/Ta <17 7 6 Na20 +K2O (%) 5 4 3 2 1 35 40 45 50 55 SiO2 (%)

Nb/Ta Nb/Th Ta/La Arcs continentaux et intra-océaniques 8,4 0,06 17,5 Arcs continentaux et intra-océaniques Croûte continentale supérieure Croûte continentale inférieure Lithosphère mantellique MORB Komatiites OIB

90 95 4 20 35 13 16 1 Nb/Th (0,5) 8,4 90 23 55 30 7 60 Nb/Ta (1) 17,5 Arcs continentaux et intra-océaniques Lithosphère mantellique MORB Komatiites Croûte continentale supérieure Croûte continentale inférieure OIB 1000 100 10 0,1 0,01

Roches totales (ICP-MS) Rutiles