07/05/2009

Le mystère des laves carbonatites de Tanzanie en voie d'être élucidé ?

Le mystère des carbonatites de l'Oldoinyo Lengai en partie dévoilé. 

 

Dans un article publié cette semaine dans la revue Nature, une équipe internationale (France-USA-Tanzanie)* rapporte les résultats d'une mission d'échantillonnage des gaz volcaniques au cratère du volcan tanzanien, Oldoinyo Lengai (la montagne des dieux en langue Masaï), connu pour émettre des carbonatites, laves rarissimes exemptes de silice et très riches en CO2. La chimie et la composition isotopique des gaz montrent que le CO2 provient directement du manteau sous- jacent au rift Est Africain, semblable à celui qui alimente en magma les rides médio-océaniques. Ces résultats révèlent ainsi l'uniformité du manteau supérieur sous les océans comme sous les continents. L'abondance du CO2 est liée au processus de fusion et non à la composition du manteau. L'expédition dirigée par Pete Burnard et Bernard Marty, géochimistes au CRPG de Nancy (INSU-CNRS) était soutenue par l'Institut National des Sciences de l'Univers (CNRS) et la National Science Fondation.

Les carbonatites sont des laves volcaniques exceptionnelles qui contiennent environ 30 % de CO2, mais pas de silice, contrairement aux autres roches volcaniques. Ces laves font éruption à seulement 540°C, alors que les autres types de laves sont liquides à 800°C, voire 1200°C. Les carbonatites sont aussi extrêmement fluides, avec une viscosité comparable à celle du pétrole. Bien qu'elles aient été présentes tout au long de l'histoire de la Terre, leur éruption est un phénomène rare qui se produit actuellement dans un seul endroit au monde, le volcan Oldoinyo Lengai (la montagne des dieux en langue Masaï), situé dans la branche sud-est du rift africain en Tanzanie. Leur forte teneur en CO2 pose la question de la composition du manteau sous-jacent dont elles sont issues. Ces carbonatites sont-elle le témoin, d'un manteau localement particulièrement riche en carbone ?

L'équipe est arrivée au sommet du volcan (2960 m dans l'axe central du rift) au début d'une nouvelle phase éruptive, à un moment où le volcan était sous la pression de l'arrivée de magma frais. Elle a pu prélever des gaz d'une qualité exceptionnelle. Les gaz éruptifs échantillonnés sont issus du manteau et permettent de déterminer la concentration en carbone du manteau source des laves de l'Oldinyo Lengai à moins de 300 ppm (parties par million) de carbone. Cette concentration est identique à celle estimée pour le manteau sous les rides médio-océaniques. Le manteau situé sous le rift tanzanien n'a donc pas de particularité. C'est le processus de fusion qui conduit à la formation des laves qui lui, est exceptionnel.

Ces laves très particulières (carbonatites) proviennent d'un magma parent (nommé néphélinite) très pauvre en SIO2 qui se forme par fusion partielle caractérisé par un très faible un taux de fusion  (moins de 0,3 %) d'un manteau supérieur typique. Le liquide issu de cette fusion magmatique produit alors, sans doute à faible profondeur, c'est-à-dire à basse pression, l'immiscibilité des carbonates et des silicates, un peu comme de l'eau et des gouttes d'huiles. (Des études précédentes avaient suggéré que des teneurs en CO2 plus importantes, jusqu'à plusieurs %, étaient nécessaires pour produire des néphélinites et des carbonatites).

Selon les auteurs, cette étude indique que le manteau supérieur sous les continents et les océans est un réservoir terrestre uniforme et bien mélangé, dans lequel les abondances de CO2, N2, He et Ar sont essentiellement les mêmes.

Ces travaux ont été financés par le programme Intérieur de la Terre de l'Institut National des Sciences de l'Univers (INSU-CNRS).

Source
Upper-mantle volatile chemistry at Oldoinyo Lengai volcano and the origin of carbonatites T. P. Fischer1, P. Burnard2, B. Marty2, D. R. Hilton3, E. Fu¨ri3, F. Palhol2, Z. D. Sharp1 & F. Mangasini4
1Department of Earth and Planetary Sciences, University of New Mexico,USA.
2Centre de Recherches Pétrographiques et Géochimiques, INSU-CNRS, Université de Nancy
3Geosciences Research Division, Scripps Institution of Oceanography, California,USA.
Department of Mining and Mineral Processing Engineering, University of Dar Es Salaam, Tanzania.

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Etudes pétrologiques complémentaires

Dans un langage compréhensible pour tout un chacun, on peut dire qu'un liquide immiscible riche en carbonates (disons de l'huile) issu d’un liquide parental silicaté (disons de l'eau) à haute température se refroidira en précipitant uniquement des silicates, jusqu'à ce qu'il atteigne une frontière de cristallisation silicates-carbonates, où il est capable de précipiter des minéraux carbonatés, qui peuvent alors former des cumulats de carbonatite.  Le long de cette frontière de cristallisation , la coprécipitation de calcite conduit le liquide magmatique résiduel vers des compositions riches en alcalin (Na20 & K20); conduisant à la fameuse natrocarbonatite du Lengai.

Le modèle détaillé expliquant la petrogenèse des natrocarbonatites de l'Oldoinyo Lengai implique une différenciation (évolution pétrochimique) par cristallisation fractionnée (séparation des phases minérales au fur et à mesure de la cristallisation, le plus souvent par gravité) étendue d'un magma basaltique alcalin riche en carbonates suivi par une séparation immiscible de natrocarbonatite à basses pressions (c.a.d. celles régnant à des profondeurs superficielles des réservoirs magmatiques).

1. Processes of Crustal Carbonatite Formation by Liquid Immiscibility and Differentiation, Elucidated by Model Systems

Résumé

Dans le système CaO-NaO-(MgO + FeO)-(SiO2 + AlÒ3) (+ CO2) , les études expérimentales sur plusieurs jonctions (appelées en thérmodynamique  des courbes cotectiques) entre les silicates et les carbonates fournissent un cadre illustrant les processus possibles susceptibles d'expliquer la formation des carbonatites. Les deux mécanismes principaux font intervenir la surface du liquidus « silicates-carbonates » et la surface du liquidus correspondant à l’intervalle de miscibilité. En cristallisant, les magmas silicatés carbonatés parentaux peuvent atteindre une courbe eutectique "silicate-CO2", une courbe cotectique "silicates-carbonates", ou un intervalle de miscibilité (où il y a séparation de deux liquides très différents). Quelques liquides silicatés et carbonatés hydratés peuvent dévier de l’intervalle de miscibilité à haute température et atteindre la limite de cristallisation entre les silicates et les carbonates. Des liquides immiscibles riches en carbonates dans les systèmes modélisés simulant des conditions magmatiques tendent à être concentrés à proximité des compositions de calcocarbonatite (< 80% CaCO3; par exemple un bain précipitant la néphéline-sövite), mais peuvent être plus alcalins que les magmas parentaux silicatés avec des valeurs plus élevées en Na/Ca. Un liquide immiscible riche en carbonates issu d’un liquide parent silicaté sous hautes températures se refroidira en précipitant uniquement des silicates, jusqu'à ce qu'il atteigne la limite du champ (courbe cotectique) de cristallisation "silicates-carbonates" où il est capable de précipiter des minéraux carbonatés, qui peuvent alors former des cumulats de carbonatite. Quelques magmas parents peuvent atteindre cette cotectique par cristallisation directe, mais, le plus souvent, ils traversent l’intervalle de miscibilité. Le long de cette frontière de champ, la coprécipitation de calcite conduit le liquide résiduel vers des compositions riches en alcalin. Le liquidus carbonaté (> 85% CaCO3) est ' un volume interdit ' en ce qui concerne les magmas (impossibilité thermodynamique). La perte de vapeur d'eau du magma carbonatitique peut introduire des alcalins dans les roches ignées régionales, mais ceci ne cause pas la réduction des alcalins dans le magma; la calcite précipite pour maintenir la composition du  magma. Les magmas de magnésiocarbonatite hydratés peuvent précipiter des cumulats de sövite.

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2. Dans une autre étude datant de 1994, une preuve de terrain (récolte d'un échantillon exhibant pétrographiquement l'immiscibilité des magmas alcalins et de carbonatite) a été apportée...

Pendant approximativement les 50 dernières années, les éruptions de l'Oldoinyo Lengai ont produit des laves de natrocarbonatite. Cependant, tous les 15-25 ans, ces laves étaient mélangées à des matériaux formés de minéraux silicatés et de natrocarbonatite. En 1993, une lave en blocs peu commune a été émise et a conservé des textures détaillées, exhibant un agglomérat de silicates et de natrocarbonatite, indiquant clairement un processus d'immiscibilté. Les écoulements en blocs de 1993 se composent de natrocarbonatite comprenant des petits agrégats cristallins silicatés qui constituent ~2 –5% de la roche. Ces inclusions se composent de néphéline, de mélanite, de clinopyroxène et de wollastonite en tant que cristaux isolés et de micro-enclaves  (xénolithes) d'ijolite. Le plus souvent, ces inclusions ijolitiques sont entourées par des "globules" à grain fin issus d'une intercroissance de néphéline, de wollastonite et de grégoryite, interprétés comme liquide de prise (ou bain de cristallisation). Les textures pétrographiques sont caractéristiques d'une immiscibilité liquide entre la natrocarbonatite liquide coexistante et les jus silicatés. La présence de grégoryite dans les globules de magma silicaté est particulièrement importante car elle représente la phase commune du liquidus entre les silicates et les jus de natrocarbonatite, ce qui est théoriquement exigé pour démontrer l'immiscibilité entre deux liquides coexistants. C'est la première fois que l'immiscibilité du liquide a été aussi clairement démontrée dans des échantillons de roche naturelle provenant de l'Oldoinyo Lengai, ce qui est en total accord avec les travaux expérimentaux récents (voir ci-dessus) . Le modèle détaillé pour le petrogenèse des natrocarbonatites de Oldoinyo Lengai implique le fractionnement étendu d'un magma alcalin riche en carbonates suivi par une séparation immiscible de natrocarbonatite à basses pressions.

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Analyses chimiques (éléments majeurs; %oxyde); L=Lengai - Ny=Nyiragongo

Ech    L_3/2/5    L_5/7/4    Ny_PA-2    Ny_PA-4    Ny_PA-1    Ny_PA-0

SiO2    0.16    0.11    39.27    39.38    39.37    39.3
TiO2    0.01    0.01    2.74    2.68    2.73    2.83
Al2O3    0.09    0.07    14.99    14.96    15.05    15.02
Fe2O3    0.72    0.85    13.44    13.21    13.48    13.89
MgO    0.5    0.48    4.06    4.05    4.11    4.05
CaO    14.12    15.24    12.49    12.61    12.6    12.19
MnO    0.46    0.33    0.29    0.29    0.29    0.3
Na2O    31.11    30.92    5.94    6.1    6.01    5.57
K2O    7.42    6.48    5.69    5.72    5.7    5.65
P2O5    0.92    1.2    1.29    1.25    1.29    1.3

 

 

Ijolite : c'est une roche ignée comosée essentiellement de néphéline (minéral de la famille des feldspathoïdes = feldspaths pauvres en silice et riches en soude) et d'augite (clinopyroxène). On trouve toujours ces roches dans les complexes de roches alcalines (le plus souvent inrusives) et les carbonatites.

Grégoryte: la formule chimique de ce minéral est :

(Na2,K2,Ca)CO3

Sövite : c'est un type de carbonatite composé principalement de calcite accompagné accessoirement de magnétite, et d'apatite avec ou sans mica dit phlogopite.

10:55 Écrit par Alain M./Alino dans Volcans | Lien permanent | Commentaires (0) | Tags : gaz, carbonatites, lengai |  Facebook |