Processus de métallogénèse dans les amas sulfurés océaniques

443 Pages·2011·14.39 MB·French

Centre de Brest
ep 70 • 29263 P
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UBO
FRANCE
CNRS
IFREMER
E
ORSrOM
BRGM
THESE DE DOCTORAT
DE
L'UNIVERSITE DE BRETAGNE OCCIDENTALE
Gilles AUCLAIR
PROCESSUS DE METALLOGENESE DANS LES AMAS SULFURES
OCEANIQUES
CONTRIBUTION A L'ETUDE DU COMPORTEMENT DES ELEMENTS CHALCOPHILES
DANS LES PROCESSUS HYDROTHERMAUX
BREST 1988
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DOCU~AH\'T;:ùi{lN Téi 98 22 42 71-Téléx "".lU 627
Dèparlement GéOsciences Marines FRANCE
A JoilHe. CoUn.
mes parents et amis.
Remerciements
Ces 4 années passées au "bout de la Terre", ont été riches
d'enseignements, de relations humaines, et l'occasion d'être confronté
avec le monde de la recherche scientifique.
Jean Michel CARON et Micheline BOUDEULLE, tous deux enseignants à
l'Université de Lyon l, en ont été les instigateurs, quand, curieux de
connaître les trésors cachés du fond des océans, ils m'ont permis
Il Il
d'accéder à l'Université de Bretagne Occidentale. Qu'ils soient ici
remerciés de leur heureuse initiative.
En Octobre 1983, je prennais contact avec les membres du laboratoire
de Géosciences marines de l'IFREMER, où je faisais connaissance en
particulier d'Yves FOUQUET et de Henri BOUGAULT.
Après m'avoir encadré pendant mon DEA, Yves FOUQUET se proposa de
suivre mes travaux de recherche pendant ma thèse. Il sera un excellent
collaborateur, un tuteur très efficace et deviendra également un ami.
Aujourd'hui, le tuteur s'efface, le collaborateur s'éloigne, mais l'ami
reste.
Je remercie Henri BOUGAULT-qui a bien voulu diriger ces travaux. J'ai
trouvé en lui une personne passionnée et dynamique dont l'humanité est au
moins aussi grande que ses capacités et ses connaissances scientifiques.
Steven D. SCOTT est le maître canadien, sur les pas duquel on aimerait
marcher. Il m'a permis, grâce à une invitation à la participation de la
mission CUROSS l en juillet 1987, de suivre quelques uns des siens. R.L.
CHASE, M.D. HANNINGTON, P.M. HERZIG étaient quelques uns des participants
avec qui les discussions ont été très fructueuses. Je salue ici les autres
membres de la mission, remercie- toute cette équipe et plus
particulièrement Steven D. SCOTT qui a bien voulu accepter de juger mon
travail.
Thierry JUTEAU et Michel TREUIL ont accepté d'être les rapporteurs de
ce jury. Je les en remercie.
Je veux remercier aussi René BLANCHET qui m'a acceuilli dans son
laboratoire en septembre 1983, et qui aujourd'hui a bien voulu malgré son
récent départ du GIS de Brest, venir juger mon travail.
Yves MOELLO a toujours été fidèle au rendez-vous que je lui ai fiXé.
Examinateur lors de mes balbutiemments de chercheur, il est aujourd'hui
examinateur dans ma tentative de confirmation.
Marcel BOHN m'a été d'un très grand soutien lors de ce travail. Il a
essayé au cours de ces 4 années de me faire passer son savoir et sa
maitrise de la microanalyse. Je lui dois beaucoup et ne cesserait de lui
porter toute ma reconnaissance.
Pierre CANBON et JoeL ETOUBLEAU m'ont initié aux techniques d'anaLyse
par La méthode de fLuorescence X. Je voudrais ici Les saLuer et Les
remercier des précieux résuLtats qu'iLs ont pu me fournir.
Je ne voudrais pas finir ce travaiL sans saLuer Jean Narie AUZENDE,
Roger HEKINIAN, DanieL BIDEAU, Jean Luc CHARLOU et Pierre WATRENEZ qui
m'ont tous accordé Leur audience quand j'étais demandeur.
Un grand merci à NathaLie VASLET qui Lors de La dernière Ligne droite
a su débLayer de gros obstacLes.
J'ai trouvé en Les personnes de Annie BIROLLEAU et de PhiLippe
BIENVENU des interLocuteurs avertis en chimie et en technique d'anaLyse.
Une partie de La frappe de ce mémoire a été exécutée par Nartine
NORVAN. Je tiens à La remercier pour son dévouement et sa bonne humeur.
L'aide aussi bien moraLe que pratique que m'a apporté JoeLLe tout au
Long de ce travaiL, m'a été très précieuse.
Le financement de cette recherche a été entièrement assuré par
L'IFRENER.
RESUME
-- L'étude quantitative de la répartition des éléments trace dans les
sulfures hydrothermaux a nécessité un développement de la méthode de
dosage par microsonde électronique. Une amélioration du rapport signal sur
bruit de l'analyse de Se, As, Co, Cd et Ag dans la chalcopyrite, la pyrite,
la blende, l'isocubanite et la pyrrhotite a été possible grace à une étude
approfondie des paramètres d'analyses (reproductibilité, résistance des
minéraux, homogéneitê, choix des standards, mesure du bruit de fond,
intensité du courant du faisceau d'électrons, tension d'excitation et
temps de comptage). --Ainsi on a pu définir des valeurs minimales
d'exploitation pour chaque élément dans chaque matrice avec une précision
supérieure à la %. Ces valeurs varient de 200 ppm pour le cobalt dans la
chalcopyrite et la sphalérite à 600 ppm pour le sélénium dans la blende et
la pyrrhotite.
L'analyse chimique globale (XRF) des sulfures, SU1V1e de l'analyse
ponctuelle à la microsonde électronique sont des moyens d'analyses
complémentaires qui permettent de suivre la répartition et de comprendre
le comportement des éléments en trace au cours du processus de maturation
d'un dépôt hydrothermal.
Le segment situé à 13°N sur la ride est Pacifique est un lieu où les
manifestations hydrothermales ont été intensemment étudiées. On montre par
l'étude des sulfures hydrothermaux prélevés dans cette zone et de leur
localisation, que les dépôts ont eu lieu en différents épisodes. La trace
de ces différentes activités se marque à l'affleurement par des dépôts
centrés à l'axe du graben, sur les murs de celui-ci et sur les édifices
volcaniques marginaux. Les différentes paragenèses rencontrées dans ces
sites semblent être dépendantes de leur situation.
Le fractionnement à partir du fluide de trois groupes d'éléments
correspondant respectivement aux paragenèses de haute (350°C - Cu, Fe, Se,
Co, Ca, Sr), moyenne (250°C Zn, Cd, Ag, As, Pb) et basse température
«200°C - Si, Ba), a été mise en évidence par l'observation des différents
échantillons et confirmé par un traitement statistique des données de
chimie globale.
Enfin l'étude des conditions physico-chimiques de dépôt à partir du
fluide et des assemblages m1neraux, montre que les fluides lors de leur
remontée au travers de la croûte océanique ont pu subir une ébullition et
un remélange en toutes proportions ce qui laisserait supposer l'existence
en profondeur de dépôts importants.
Les différentes investigations menées sur les segments de 17°26'5,
18°31'5 et 21°26'5 sur l'EPR, de 49°45'N sur la ride de Juan de Fuca et
sur le district de York-Harbour à Terre Neuve permettent de comparer les
contextes géologiques, de replacer les épisodes hydrothermaux dans les
cycles volcano-tectoniques et de mieux comprendre les variabilités
minéralogiques et géochimiques des différents dépôts.
A paragenèse identique, la chimie des dépôts diffère principalement
dans la répartition et le comportement des éléments arsenic, sélénium,
cobalt et argent contenu dans les minéraux. Les conditions physico
chimiques qui règnent lors de la précipitation et les mécanismes de dépôts
ne peuvent expliquer qu'une partie des variations observées. Une
hétérogéneité au niveau de la composition du matériel léssivé (ségrégation.
de matériel sulfuré, présence de blocs d'ultrabasite) est évoquée enfin
pour rendre compte de cette variabilité.
ABSTRACT
-- Quantitative analysis of trace elements repartition in hydrothermal
sulfide mineraIs has required a development in the method of microprobe
analysis. Large investigations on the microprobe analysis conditions
(reproducibility, mineraI resistance, homogeneity, standards, background
measurements, electron beam intensity, accelerating voltage and counting
time) allow an improvement of the signal/background ratio during analysis
of Se, As, Co, Cd and Ag in chalcopyrite, pyrite, sphalerite, isocubanite
and pyrrhotite. Then, a minimal exploitation value has been defined for
each element in each sulfide mineral with an analytical accuracy greater
than 10%. These values vary from 200 ppm for the cobalt in chalcopyrite
and sphalerite to 600 ppm for the selenium in sphalerite and pyrrhotite.
Bulk chemical (XRF) and microprobe analysis on sulfides are
complementary analysis investigations, which allow to follow the
repartition and to know the behaviour of the trace elements during the
maturation of a sulfide deposit more accurately.---
The ridge segment located at 13° North on the East Pacific Rise is an
area where hydrothermal manifestations have been intensively investigated.
The repartition and the macroscopic observations of the collected samples
lead to propose that sulfides deposed during different periods. The marks
of these different activities of deposition are imprinted on the outcrops
by the sulfide deposits centred on the graben axis, deposed on the graben
walls and on the volcanic marginal edifices. The different mineraI
assemblages collected in these areas seem to depend on their location.
Microscopic observations of the samples and statistic treatment of XRF
bulk chemical analysis show a fractionation of three group of elements
from the hydrothermal fluid during precipitation corresponding
respectively to high (350°C - Cu, Fe, Se, Co, Ca, Sr), medium (250°C - Zn,
Cd, Ag, As, Pb) and low «200°C - Si, Ba) temperature mineraI assemblages.
At last, the physico-chemical conditions of the sulfide deposition
have been studied from the hydrothermal fluid and from the observation of
the mineral assemblages. They show that boiling can occurred during the
rising of the fluid through the oceanic crust. These arguments lead to
infer the presence of biggest hydrothermal deposits below the ocean floor.
Different investigations conducted at 17°26'S, 18°31'S and 21°26'S on
the EPR, at 49°45'N on the Juan de Fuca ridge and at the York-Harbour
district in Newfoundland allow to compare the geological settings,to
replace the hydrothermal activity in volcano-tectonic cycle, and to better
understand the mineralogical and geochemical variations of the different
deposits.
With the same mineraI assemblages, the chemical composition of ~he
sulfide deposit principally differs in the repartition and the behaviour
of the trace elements arsenic, selenium, cobalt and silver contained in
the mineraIs. The physico-chemical conditions during the precipitation and
the mechanisms of the deposition can explained only one part of these
variations. A heterogeneity in the nature of the leached material
(segregation of sulfides phases, occurrence of ultrabasic blocks) is
evoked to explain this variability.
SOMMAIRE
INTRODUCTION GENERALE ....•...........••.......•..•.................. 1
CHAPITRE 1 METHODES D'ANALYSES 6
1 - INTRODUCTION ....................••..........••.................. 7
II - RAPPELS SUR L'EMISSION X ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 7
II.1 - Spectrométrie de fluorescence X.......................... 9
II.1.1 - Principe 9
II.1.2 - Analyse 11
II.2 - Microsonde électronique 13
II.2.1 - Généralités . ••. •. . . ••. . ..•. •••. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
II.2.2 - Application : Mesure des éléments traces dans les
sulfures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
II.2.2.1 - Standards . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . 17
II.2.2.2 - Homogénéité . . . . . . •. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
II.2.2.3 - Reproductibilité - Justesse 19
II.2.2.4 - Résolution signal/bruit de fond 19
II.2•3 - Mesure 21
;[1.2.3.1 - Précision . . . .. . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . .. 23
II.2.3.2 - Minimum de détection 25
a - estimation statistique 25
b - estimation graphique 25
II.2.4 - Résultats 27
III - TRAITEMENT STATISTIQUE 27
111.1 - Coefficient de corrélation ..•..........•..........••..• 32
111.2 - Analyse en composante principale ..••......•....•.•....• 32
IV - CONCLUSION 33
CHAPITRE II : 130 NORD SUR LA DORSALE EST-PACIFIQUE
l - INTRODUCTION 36
II - ENVIRONNEMENT GEOLOGIQUE 36
II.1 - Morphologie de la ride •. . . •. . •.•. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
II•2 - Type de laves . . . . . . •. . . . . •. . . ••. . . . •. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
II.2.1 - Morphologie 38
II.2.2 - Pétrologie 39
III - MATERIEL HYDROTHERMAL 39
•• 04180 ••••••• 4 ••••••••••••••••••••••••• "
111.1 - Localisation 39
111.1.1 - Fond du graben 39
111.1.2 - Murs du graben 40
111.1.3 - Haut margianl 41
111.1.3.1 - Flanc occidental du haut marginal 41
111.1.3.2 - Sommet du haut marginal 41
111.1.4 - Le mont sous-marin du sud-est 42
111.2 - Minéralogie des sulfures 46
111.2.1 - Les cheminées 46
111.2.1.1 - Localisation et morphologie 46
111.2.1.2 - Type 1 : cheminée à sulfures de cuivre 50
a - type la . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 50
b - type lb 52
111.2.1.3 Type III: cheminée à sulfures de zinc 53
111.2.1.4 - Type II : cheminée à cuivre et zinc 54
111.2.2 - Les sulfures poreux 55
111.2.2.1 - Localisation et morphologie 55
111.2.2.2 - Type IVa : sulfures poreux riches en
fer ... . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
111.2.2.3 - Type IYb : sulfures poreux riches
en zinc . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 56
111.2.3 - Les sulfures massifs 56
111.2.3.1 - Localisation et morphologie 56
111.~.3.2 - Type Va et Yb sulfures massifs
riches en fer et en cuivre 57
111.2.3.3 - Type Vc : sulfure massif riche en zinc.. 57
111.2.4 -Les oxydes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 58
111.2.4.1 - Type VI : dépôts siliceux 58
111.2.4.2 - Type VII: le stockwork 58
111.2.4.3 - Type VIII : les hydroxydes de fer 60
111.2.4.4 Type IX : les oxydes de manganèse 60
111.2.5 - Résumé et conclusion 60
111.3 - Analyse chimique globale 63
- ......................
111.3.1 Type 1 : Cheminée à cuivre 64
- ......................
111.3.2 Type III Cheminées à zinc 64
- ................
III.3.3 Type IVa Sulfures poreux à fer 66
- ..............
III.3.4 Type IVb Sulfures poreux à zinc 67
111.3.5 - Type Va Sulfures massifs à fer 67
111.3.6 - Type Vb Sulfures massifs à cuivre 67
111.3.7 - Type VI Silice . . . . . . . •. . . . . . . . . . . . . .•. . . . . . . . 67 .
111.3.8 - Type VII: Sulfures dans le stockwork .•........ 68
111.3.9 - Type VIII: Hydroxydes de fer 68
111.3.10 - Type IX : Hydroxydes de manganèse 68
111.3.11 - Traitement statistique 68
III.3.12 - Conclusion . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . •. . . . 72
111.4 - Composition chimique des minéraux 73
111.4.1 - Introduction .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
111.4.2 - Les sulfures de cuivre ..•..•.................... 74
111.4.2.1 - La chalcopyrite 74
- ........... ·.. ·.. ........
a Le panache 74
- ................... ·...... ...
b type l 74
c - type III ................. ·.......... 76
d - type IVb ............. ·.. ··... ...... 77
- ..............·.. ·...........
e type Vb 77
- ................. ·.........
f type VII 77
111.4.2.2 - L'isocubanite 78
a - Le panache 78
b - tyPe III 78
c - tyPe IV 80
IIJ.4.3 - Les sulfures de zinc 80
111.4.4 - Les sulfures de fer 85
111.4.4.1 - La pyrrhotite . 85
111.4.4.2 - Pyrite et marcasite . 86
111.4.5 - Autres phases sulfurées . 89
III.4.6 - Conclusion . 90