Composition chimique des minéraux des roches mafiques et ultramafiques

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TRAVAUX DE TERRAIN ET DE LABORATOIRE

Travaux de terrain

Sur la base des connaissances acquises pendant l’école de terrain et du stage de master et à l’aide de la carte géologique du PASMI, quatre missions de caractérisations et d’échantillonnages ont été effectuées dans le secteur du village de Mako. L’objectif principal était de collecter le maximum de faciès mafiques et ultramafiques et de leurs différenciats intermédiaires à acides le long du couloir MTZ (Main Transcurrent Zone) depuis le village de Badian au Sud-Ouest de Mako jusqu’au prospect de Sofia dans la partie Nord-Est du groupe de Mako. Cette collection concerne 64 échantillons dont 11 basaltes, 30 gabbros, 16 UM, 4 andésites, 1 dacite et 2 rhyolites. Il s’y ajoute 5 échantillons dont 1 basalte, 2 UM, 1 andésite et 1 rhyolite qui proviennent de la collection de Nicolas THEBAUD.

Travaux analytiques

Après échantillonnage, les concentrations des éléments majeurs des roches ont été obtenues par spectrométrie de fluorescence X (XRF) au Central Analytical Facilities, Stellenbosch University (Afrique du Sud) et à l’ALS (Espagne).

Méthode d’analyse à la microsonde électronique

Les analyses des minéraux ont été effectuées à la microsonde électronique Cameca SX Five (Fig. 10) du centre de micro-caractérisation Raimond Castaing de Toulouse (Université Toulouse III – Paul Sabatier). Elles permettent de quantifier la composition chimique des minéraux afin de mieux caractériser qualitativement les phases minérales. Les analyses ont été réalisées sur des échantillons préparés sous forme de lames minces polies recouvertes d’une fine couche de carbone (environ 50 nm) déposée par évaporation avec un évaporateur à carbone Leica EM ACE600. Les conditions d’analyses étaient de 15kV pour la tension d’accélération, pour des courants de 10 ou 20 nA en fonction de la résistance des minéraux au faisceau électronique. Les temps d’acquisition sont de 10 secondes sur le pic et 5 secondes de part et d’autre du pic pour le fond continu. Le volume d’analyse est de l’ordre de 5 µm3. Les standards utilisés pour la mesure des concentrations sont des minéraux naturels ou synthétiques ainsi que des métaux purs : albite pour Na, périclase pour Mg, sanidine pour K, corindon pour Al, hématite pour Fe, pyrophanite pour Mn et Ti, wollastonite pour Si et Ca, Cr2O3 pour Cr, nickel métal pour Ni, sphalérite pour Zn, barytine pour Ba, tugtupite pour Cl et topaze pour F.

Travaux à la salle blanche et à la salle de préparation d’échantillon

Les analyses des concentrations des éléments en traces (roches et minéraux) et les mesures isotopiques en Sr et Nd ont été effectuées au laboratoire de Géosciences Environnement Toulouse (GET) – Observatoire Midi-Pyrénées (OMP) de l’Université Toulouse III Paul Sabatier (France). Afin d’effectuer ces analyses, nous avons réalisé des travaux minutieux dans une salle blanche de classe 10000 (10000 particules/m3/h) (Fig. 11a). Il s’agit d’une salle spéciale qui est utilisée pour dissoudre des échantillons (exemple roche) dans un milieu hautement propre qui évite toute contamination. La méthode utilisée pour dissoudre les roches concassées (Fig. 11b) et broyées (Fig. 11c) en poudre dans un bol d’agate est la minéralisation par voie acide sur plaque chauffante. Elle consistait en une digestion par HNO3 15,15N (acide nitrique) et HF (acide fluoridrique) selon la procédure de Cordier et al. (2010) couplée par l’ajout dosé de thulium (Tm) suivant le protocole de Barrat et al. (1996). En revanche, dans le cas des roches ultramafiques et certaines roches mafiques la dissolution complète des spinelles ou chromites est particulièrement difficile, d’où une digestion par HF et HClO4 (acide perchlorique) à haute température favorisant la dissolution de cette phase minérale réfractaire (Yokoyama et al., 1999 ; Nakamura et Chang, 2007 ; modifiée par Rospabé et al., 2018).
Après dissolution, 1 ml de la solution est prélevé et mis à évaporation pour la chimie du Sr et du Nd dans le cas où il est nécessaire d’effectuer des mesures isotopiques pour tracer et dater les roches. Le protocole de séparation chimique (adapté de Pin et al., 1994) est détaillé en Annexe 1.

Méthode de mesure à l’ICP-MS

Après dissolution des échantillons à la salle blanche, les concentrations des éléments en traces des roches ont été obtenues par l’HR-ICP-MS (high Resolution- Inductively Coupled Plasma- Mass Spectrometer) ELEMENT XRTM (Thermo Scientific TM) (Fig. 12). Deux géostandards (PMS et BCR-2) et deux blancs (blanc d’acide 2,5% HNO3, blanc de chimie) ont été utilisés pour vérifier la fiabilité des données. Un autre géostandard (BHVO2) de concentration bien connue est inséré tous les 6 échantillons pour corriger les mesures de la dérive instrumentale et recalculer les concentrations. Les résultats obtenus avec l’ICP-MS sont sous la forme d’intensités en coups par seconde (cps) qu’il faudra transformer en concentration pour chaque échantillon. Pour cela, il est nécessaire de faire des calculs de corrections d’interférences d’oxydes et des moyennes glissantes entre deux mesures de BHVO2. Les concentrations des différents éléments dans la solution (Cx) ont été calculées à partir des concentrations de référence de BHVO2 (μg/g), de BHVO2 mesuré (cps) corrigé du blanc et des mesures des éléments (cps) corrigé du blanc : Cx = [CBHVO2 / (IBHVO2 – blanc)] * (Ix – blanc). La concentration de Tm (CTm*) a été interpolée à partir des concentrations CEr et CYb : CTm* = 0,02513 * ((CEr/0,166)*(CYb/0,1651))1/2. Ensuite il a fallu calculer le « rendement chimique » (R) à partir de la CTm* : R = Msol (CTm – CTm*) / MTm. La concentration de chaque élément de chaque échantillon est calculée à partir du facteur R et de la concentration Cx : [X] = Cx * R.

Méthode de mesure au laser-ICP-MS

Les analyses des éléments en traces des minéraux ont été effectuées avec une machine Thermo Scientific HR-ICP-MS Element XR couplée à une unité d’ablation laser New Wave Research NWR213 Nd YAG à 213 nm (Fig. 13). Le temps de comptage pour une analyse était généralement de 210 s (60 s sur un blanc de gaz pour établir le background, puis 120 s pour la collecte de données suivie par un lavage de 30 s). Le diamètre du faisceau laser était d’environ 40 à 50 µm, la fréquence de 7 Hz et 4 à 5 J/cm2 pour la fluence du laser. Deux standards internes ont été analysés toutes les 10 analyses: un principal, le NIST SRM 612 et un secondaire, le NIST SRM 610. L’étalon secondaire a été analysé comme inconnu, permettant ainsi de vérifier la précision et l’exactitude de la session d’analyses. Le standard externe utilisé est la teneur en CaO obtenue à la microsonde électronique. La précision et l’exactitude relatives pour une analyse au laser varient de 1 à 10% pour la plupart des éléments, mais pour Nb et Ta, elles sont proches de 15%. Les limites de détection théoriques pour chaque élément sont comprises entre 10 et 60 ppb, à l’exception de Sc et V (100 ppb), de Ti (2 ppm) et de Ni et Cr (0,7 ppm). La réduction des données a été réalisée avec le logiciel Glitter (Griffin, 2008).

Méthode de mesure au TIMS (Spectromètre de masse à thermo-ionisation)

Les mesures isotopiques pour les deux systèmes radiogéniques Rb/Sr et Sm/Nd utilisés dans cette étude ont été effectuées pour une partie avec un Spectromètre de masse à thermo-ionisation TIMS « MAT 261 » datant de 1987 et pour l’autre partie avec un nouveau spectromètre : TritonTM Plus livré en juin 2016 (Fig. 14). Pour cela, les deux éléments Sr et Nd purifiés au préalable en salle blanche selon le protocole décrit par Pin et al. (1994) sont déposés respectivement sur des filaments de Rhénium et de Tungstène à l’aide d’une micro-seringue puis introduits dans la source du spectromètre de masse. Après mise en pompage, chaque filament est parcouru sous vide par un courant électrique qui provoque son échauffement par effet Joule. L’échantillon chauffé s’évapore et s’ionise, le plus souvent positivement par la perte d’un électron, pour former un faisceau d’ions qui est accéléré par un champ électrique ; ce faisceau est ensuite analysé dans le spectromètre de masse par une séparation en masse donnant plusieurs faisceaux détectés par des collecteurs d’ions. Les résultats sont présentés sous forme de rapports isotopiques, donnés par les intensités relatives mesurées des différents faisceaux. Les standards utilisés sont le NBS 987 pour le Strontium et La Jolla pour le Néodyme avec des valeurs de référence 0,710274 ± 4 et 0,511842 ± 2 respectivement. Les blancs de procédure typiques sont 150 ng pour Sr et 24 ng pour Nd.

Table des matières

PREMIERE PARTIE: INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I: CONTEXTE GEOGRAPHIQUE ET GEOLOGIQUE
I-1. Contexte géographique
I-2. Contexte géologique
I-2-1. Le Craton Ouest Africain (COA)
I-2-2. La Boutonnière de Kédougou-Kéniéba (BKK)
I-2-2-1. Le groupe de Mako
I-2-2-2. Le groupe du Dialé-Daléma
I-2-2-3. Les granitoïdes
I-2-2-4. Les données géochronologiques
I-2-2-5. Tectonique et métamorphisme
I-2-2-6. Contexte géodynamique
DEUXIEME PARTIE: METHODOLOGIES
CHAPITRE II : TRAVAUX DE TERRAIN ET DE LABORATOIRE
II-1. Travaux de terrain
II-2. Travaux analytiques
II-2-1. Méthode d’analyse à la microsonde électronique
II-2-2. Travaux à la salle blanche et à la salle de préparation d’échantillon
II-2-3. Méthode de mesure à l’ICP-MS
II-2-4. Méthode de mesure au laser-ICP-MS
II-2-5. Méthode de mesure au TIMS (Spectromètre de masse à thermo-ionisation)
TROISIEME PARTIE: RESULTATS ET INTERPRETATIONS
CHAPITRE III : ETUDE PETROGRAPHIQUE
III-1. Les roches mafiques
III-1-1. Les basaltes
III-1-1-1. Les basaltes en coussin
III-1-1-2. Les basaltes massifs
III-1-2. Les massifs de gabbros
III-2. Les roches ultramafiques
III-2-1. Diversité des types pétrographiques
III-2-2. Les massifs de lherzolites et de la harzburgite
III-2-3. Les massifs de wehrlites
III-3. Les formations filoniennes
III-3-1. Les gabbros
III-3-2. Les basaltes
III-3-3. Les andésites
III-3-3-1. Les andésites riches en amphiboles
III-3-3-2. Les andésites riches en plagioclases ou clinopyroxènes
III-3-4. Les dacites
III-3-5. Les rhyolites
III-4. Conclusion sur l’étude pétrographique
CHAPITRE IV : ETUDE MINERALOGIQUE ET COMPOSITION CHIMIQUE DES MINERAUX (ELEMENTS MAJEURS)
IV-1. Composition chimique des minéraux des roches mafiques et ultramafiques
IV-1-1. Composition chimique des olivines
IV-1-1-1. Les olivines du complexe ultramafique
IV-1-1-2. Les olivines des massifs de wehrlites
IV-1-2. Composition chimique des clinopyroxènes
IV-1-2-1. Les clinopyroxènes des basaltes en coussin
IV-1-2-2. Les clinopyroxènes des massifs de gabbros
IV-1-2-3. Les clinopyroxènes des roches ultramafiques
IV-1-3. Composition chimique des orthopyroxènes
IV-1-3-1. Nomenclature
IV-1-3-2. Caractéristiques chimiques des orthopyroxènes des roches UM
IV-1-4. Composition chimique des oxydes
IV-1-4-1. Nomenclature
IV-1-4-2. Caractères chimiques des chromites
IV-1-5. Composition chimique des amphiboles
IV-1-5-1. Les amphiboles des basaltes en coussin et massifs
IV-1-5-2. Les amphiboles des massifs de gabbro
IV-1-5-3. Les amphiboles des roches ultramafiques
IV-1-6. Composition chimique des plagioclases
IV-2. Compositions chimiques des minéraux des roches filoniennes
IV-2-1. Composition chimique des clinopyroxènes
IV-2-1-1. Les clinopyroxènes des gabbros
IV-2-1-2. Les clinopyroxènes des andésites
IV-2-2. Composition chimique des amphiboles
IV-2-2-1. Les amphiboles des andésites
IV-2-2-2. Les amphiboles des dacites porphyriques
IV-2-3. Composition chimique des plagioclases
IV-3. Synthèse des données
IV-3-1. Comparaison des olivines des roches ultramafiques
IV-3-2. Comparaison des clinopyroxènes des roches mafiques de ceux des formations filoniennes
IV-3-3. Comparaison des clinopyroxènes des roches ultramafiques
IV-3-4. Comparaison des amphiboles primaires des roches ultramafiques de celles des formations filoniennes
IV-4. Affinité magmatique et contexte géotectonique
IV-4-1. Les roches mafiques
IV-4-2. Les roches filoniennes
IV-5. Conclusion à l’étude minéralogique
CHAPITRE V : ETUDES GEOCHIMIQUES ET ISOTOPIQUES
V-1. Caractéristiques géochimiques
V-1-1. Classification et nomenclature des roches
V-1-1-1. Les basaltes en coussin et massifs
V-1-1-2. Les massifs de gabbro
V-1-1-3. Les formations filoniennes
V-1-2. Mobilité des éléments chimiques
V-1-2-1. Les éléments majeurs
V-1-2-2. Les éléments en traces
V-1-3. Caractéristiques chimiques des séries magmatiques
V-1-3-1. La série tholéiitique mafique
V-1-3-2. La série ultramafique
V-1-3-3. La série calco-alcaline
V-1-4. Identification de trois lignées pétrogénétiques
V-1-4-1. La lignée tholéiitique 1
V-1-4-2. La lignée tholéiitique 2
V-1-4-3. La lignée calco-alcaline
V-2. Les signatures isotopiques du Sr et du Nd
V-2-1. Les lignées tholéiitiques 1 et 2
V-2-2. La lignée calco-alcaline
V-2-3. Identification de trois sources magmatiques
V-3. Contexte géodynamique
V-3-1. Approche du contexte géodynamique à partir des éléments majeurs et des éléments en traces
V-3-1-1. Les lignées tholéiitiques 1 et 2
V-3-1-2. La lignée calco-alcaline
V-3-2. Approche du contexte géodynamique à partir des isotopes
V-4. Comparaison avec les données de la bibliographie
V-4-1. Comparaison avec la série tholéiitique mafique
V-4-1-1. Comparaison avec les travaux précédents au niveau du groupe de Mako
V-4-1-2. Comparaison avec d’autres travaux du Craton Ouest Africain (COA)
V-4-2. Comparaison avec les séries ultramafiques
V-4-2-1. Roches ultramafiques de Mako
V-4-2-2. Comparaison entre les roches UM de Mako et de Loraboué
V-4-2-3. Comparaison des roches UM de Mako et de Loraboué avec celles du COA
V-4-3. Comparaison avec la série calco-alcaline
V-4-3-1. Comparaison avec les séries calco-alcalines de la BKK
V-4-3-2. Comparaison avec les autres séries calco-alcalines du COA
QUATRIEME PARTIE: DISCUSSION ET CONCLUSION GENEGALE
CHAPITRE VI : SYNTHESE ET DISCUSSION DES RESULTATS
VI-1. Pétrographie et minéralogie
VI-1-1. Roches mafiques
VI-1-2. Roches ultramafiques (UM)
VI-2. Caractères géochimiques et isotopiques
VI-3. Contexte géodynamique
VI-4. Perspectives
BIBLIOGRAPHIE