Download - Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques
Chapitre 2: Les éléments en trace
Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les
roches magmatiques
Eléments en trace: Généralités
Faibles concentrations (ppm)
Fortes variationsTrès sensibles au processus de différentiation
Eléments en trace les plus utilisés
Métaux de transitionSc, 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
•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 d’un élément en trace double dans le système, sa concentration double dans toute les phases
Majeurs TracesD’après cours en ligne de Winter
Incorporation d’un élément dans un minéral dépend de sa compatibilité avec les sites ioniques de ce minéral.
Deux facteurs contrôlent la compatibilité d’un élément:(1) le rayon ionique de l’élément (2) la valence de l'élément
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, l’ion qui a la charge la plus élevée sera incorporé préférentiellement dans le solide.
Fo - Fa (Mg2SiO4 - Fe2SiO4)
Système Olivine
Fig. 6-10. Isobaric T-X phase diagram at atmospheric pressure After Bowen and Shairer (1932), Amer. J. Sci. 5th Ser., 24, 177-213.
Mg plus petit que Fe
(Mg/Fe)solide > (Mg/Fe)liquide
D’après cours en ligne de Winter
Echange à l’équilibre d’un élément i entre deux phases (solide et liquide)
i (liquide) ⇆ i (solide)
KD =
KD=Cs/Cl
KD ou D: Coefficient de distribution ou de partage
X solide
X liquide
i
i
D’après cours en ligne de Winter
Les éléments incompatibles se concentrent dans le liquide
KD ou D « 1
Les éléments compatibles se concentrent dans le solide
KD or D » 1
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Plagioclase (An 89) Clinopyroxène (Di 89)
Blundy and Wood, 1994
Eléments incompatiblesÉléments à potentiel ionique faible
(large ion lithophile elements – LILE) K+ (1.64 Å), Rb+ (1.72 Å), Cs+ (1.88 Å), Sr2+
(1.26 Å), Ba2+ (1.61 Å), Pb2+ (1.29 Å).Eléments mobiles, particulièrement dans les
phases fluidesExceptions:
K et BamicasK et Bafeldspaths alcalinsSrplagioclase
Concentrés dans la croûte
Eléments incompatiblesÉléments à potentiel ionique élevé
(high field strength elements - HFSE)REE, Zr4+ (0.84 Å), Hf4+ (0.83 Å), Nb5+ (0.64
Å), Ta5+ (0.65 Å), Ti4+ (0.76 Å), Th4+ (1.05 Å).Exception: cristallisation de phases
accessoires (zircon, monazite)Eléments non mobiles
Eléments en trace compatibles
Eléments petits à faible valence:Ni, Cr, Cu, W, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt et Au
Table 9-1. Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace
Elements in Basaltic and Andesitic Rocks
Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph MagnetiteRb 0.010 0.022 0.031 0.042 0.071 0.29 Sr 0.014 0.040 0.060 0.012 1.830 0.46 Ba 0.010 0.013 0.026 0.023 0.23 0.42 Ni 14 5 7 0.955 0.01 6.8 29Cr 0.70 10 34 1.345 0.01 2.00 7.4La 0.007 0.03 0.056 0.001 0.148 0.544 2Ce 0.006 0.02 0.092 0.007 0.082 0.843 2Nd 0.006 0.03 0.230 0.026 0.055 1.340 2Sm 0.007 0.05 0.445 0.102 0.039 1.804 1Eu 0.007 0.05 0.474 0.243 0.1/1.5* 1.557 1Dy 0.013 0.15 0.582 1.940 0.023 2.024 1Er 0.026 0.23 0.583 4.700 0.020 1.740 1.5Yb 0.049 0.34 0.542 6.167 0.023 1.642 1.4Lu 0.045 0.42 0.506 6.950 0.019 1.563Data from Rollinson (1993). * Eu3+/Eu2+ Italics are estimated
Rar
e E
arth
Ele
men
ts
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
Coefficient de distribution globale D d’une roche:
Di = WA Di
WA = weight % du mineral A dans la roche
Di = coefficient de l’élément i dans lemineral A
A
A
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Example: lherzolite à grenat = 60% olivine, 25% orthopyroxene, 10% clinopyroxene, and 5%
DEr = (0.6 · 0.026) + (0.25 · 0.23) + (0.10 · 0.583) + (0.05 · 4.7) = 0.366
Table 9-1. Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace
Elements in Basaltic and Andesitic Rocks
Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph MagnetiteRb 0.010 0.022 0.031 0.042 0.071 0.29 Sr 0.014 0.040 0.060 0.012 1.830 0.46 Ba 0.010 0.013 0.026 0.023 0.23 0.42 Ni 14 5 7 0.955 0.01 6.8 29Cr 0.70 10 34 1.345 0.01 2.00 7.4La 0.007 0.03 0.056 0.001 0.148 0.544 2Ce 0.006 0.02 0.092 0.007 0.082 0.843 2Nd 0.006 0.03 0.230 0.026 0.055 1.340 2Sm 0.007 0.05 0.445 0.102 0.039 1.804 1Eu 0.007 0.05 0.474 0.243 0.1/1.5* 1.557 1Dy 0.013 0.15 0.582 1.940 0.023 2.024 1Er 0.026 0.23 0.583 4.700 0.020 1.740 1.5Yb 0.049 0.34 0.542 6.167 0.023 1.642 1.4Lu 0.045 0.42 0.506 6.950 0.019 1.563Data from Rollinson (1993). * Eu3+/Eu2+ Italics are estimated
Rar
e E
arth
Ele
men
ts
D’après cours en ligne de Winter
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.
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Les éléments en trace lorsqu’ils sont fortement compatible dans un minéral permettent de tracer la cristallisation de ce minéral
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.
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•La proportion d’un élément en trace dans une phase dépend linéairement de la proportion de l’élément dans le système (Henry’s law).•Pour identifier le comportement d’un minéral, on utilise préférentiellement les rapports d’élément en trace•Exemple:
Amphibole: DK=1; DRb=0.3K/Rb bas suggère une concentration de Rb dans le liquide due à la cristallisation d’amphiboles
Sr incompatible dans la plupart des phases sauf le plagioclase
Ba incompatible dans la plupart des phases sauf les feldspath alkalins
Comment interpréter une augmentation de Ba/Sr ?
Comment interpréter une diminution du Ba/Sr ?
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Utilisation d’éléments compatible: Fractionation de Ni olivine > pyroxene Cr et Sc pyroxenes » olivine Ni/Cr ou Ni/Sc permettent de distinguer la
cristallisation de l’olivine et du Pyroxène
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Modèles d’évolution magmatiquesFusion à l’équilibre ou Batch Melting
CL = Concentration en de l’élément en trace dans le liquide
CO = Concentration en de l’élément en trace dans la roche avant fusion
F = fraction de liquide produit = liquide/(liquide + roche)
CC
1Di(1 F) F
L
O
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Batch Melting
Di = 1.0 CL/CO = 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.
CC
1Di(1 F) F
L
O
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Di » 1.0 (élement compatible)
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.
CC
1Di(1 F) F
L
O
Batch Melting
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Elements fortement incompatible:
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.
CC
1Di(1 F) F
L
O
Batch Melting
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F 1CL/CO 1
CC
1Di(1 F) 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
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F 0 CL/CO 1/Di
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
CC
1Di(1 F) F
L
O
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Eléments très incompatible: Di 0
C
C1F
L
O
CC
1Di(1 F) F
L
O
donc
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Cristallisation à l’équilibreProcessus inverse de la fusion
partielle à l’équilibre (batch meling)
CC
1Di(1 F) F
L
O
CL = Concentration en de l’élément en trace dans le liquide
CO = Concentration en de l’élément en trace dans le liquide avant cristallisation
F = fraction de liquide restant = liquide/(liquide + roche)
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Fractionation de Rayleigh Cristallisation fractionée idéalisée:
chaque cristal se sépare du liquide dès qu’il se forme
Concentration des éléments dans le liquide résiduel, CL :
CL/CO = F (D -1)
Equation de Rayleigh
Marche aussi pour la fusion fractionnée
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Les Terres Rares (REE)
Les terres rares sont incompatibles
Table 9-1. Partition Coefficients for some commonly used trace elements in basaltic and andesitic rocks Bulk D calculation
Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph
Rb 0.006 0.02 0.04 0.001 0.1 0.3
Sr 0.01 0.01 0.14 0.001 1.8 0.57
Ba 0.006 0.12 0.07 0.002 0.23 0.31
Ni 14 5 2.6 0.4 0.01 3
Cr 2.1 10 8.4 0.17 10 1.6
La 0.007 0.02 0.08 0.05 0.14 0.27
Ce 0.009 0.02 0.34 0.05 0.14 0.34
Nd 0.009 0.05 0.6 0.07 0.08 0.19
Sm 0.009 0.05 0.9 0.06 0.08 0.91
Eu 0.008 0.05 0.9 0.9 0.1/1.5* 1.01
Tb 0.01 0.05 1 5.6 0.03 1.4
Er 0.013 0.31 1 18 0.08 0.48
Yb 0.014 0.34 0.2 30 0.07 0.97
Lu 0.016 0.11 0.82 35 0.08 0.89
data from Henderson (1982) * Eu3+/Eu2+ Italics are estimated
Rare
Eart
h E
lem
ents
•Etat d’oxidation : 3+ (exception Eu2+ et Ce4+)•Rayon ionique diminue avec l’augmentation du nombre atomic (lanthanide contraction)
•HREE sont moins incompatibles (en particulier dans le grenat)
•Eu 2+ compatible dans le plagioclaseD’après cours en ligne de Winter
Diagrames REEAxe x: Concentration sur l’ordonnéeAxe y: terre rare avec nombre
atomique croissant Compatibilité augmente de gauche
à droite
Con
cen
trati
on
La Ce Nd Sm Eu Tb Er Dy Yb Lu
D’après cours en ligne de Winter
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Atomic Number (Z)
Lo
g (
Ab
un
da
nce
in
CI
Ch
on
dri
tic
Me
teo
rite
) HHe
Li
Be
B
C
N
O
F
Sc
Fe
Ni
Ne MgSi
SCa
Ar
Ti
PbPtSn Ba
VK
NaAlP
Cl
ThU
Elimination de l’ effet Oddo-Harkins en normalisant avec un standard
Chondrites (terre primitive) Estimation du manteau primordial
D’après cours en ligne de Winter
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.
D’après cours en ligne de Winter
Table 9-1. Partition Coefficients for some commonly used trace elements in basaltic and andesitic rocks Bulk D calculation
Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph
Rb 0.006 0.02 0.04 0.001 0.1 0.3
Sr 0.01 0.01 0.14 0.001 1.8 0.57
Ba 0.006 0.12 0.07 0.002 0.23 0.31
Ni 14 5 2.6 0.4 0.01 3
Cr 2.1 10 8.4 0.17 10 1.6
La 0.007 0.02 0.08 0.05 0.14 0.27
Ce 0.009 0.02 0.34 0.05 0.14 0.34
Nd 0.009 0.05 0.6 0.07 0.08 0.19
Sm 0.009 0.05 0.9 0.06 0.08 0.91
Eu 0.008 0.05 0.9 0.9 0.1/1.5* 1.01
Tb 0.01 0.05 1 5.6 0.03 1.4
Er 0.013 0.31 1 18 0.08 0.48
Yb 0.014 0.34 0.2 30 0.07 0.97
Lu 0.016 0.11 0.82 35 0.08 0.89
data from Henderson (1982) * Eu3+/Eu2+ Italics are estimated
Rare
Eart
h E
lem
ents
Grenat concentre et fractionne les HREE
⇒ Forte pente en REE et HREE
Fusion partielle superficielle (< 40 km) plagioclase dans le residu et anomalie d’Eu
D’après cours en ligne de Winter
Anomalie d’Europium :• Fractionation du plagioclase• Fusion partielle d’une 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.
D’après cours en ligne de Winter
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
56 58 60 62 64 66 68 70 72
sa
mp
le/c
ho
nd
rite
La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu
67% Ol 17% Opx 17% Cpx
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
56 58 60 62 64 66 68 70 72
sa
mp
le/c
ho
nd
rite
La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu
57% Ol 14% Opx 14% Cpx 14% Grt
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
sam
ple
/ch
on
dri
te
60% Ol 15% Opx 15% Cpx 10%Plag
La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu
D’après cours en ligne de Winter
Spider DiagramsExtension des diagrames REE à un spectre plus large d’éléments
Fig. 9-6. 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. 313-345.
Incompatiblilté augmente de gauche à droite
Différentes estimations différents arrangements
D’après cours en ligne de Winter
Spider Diagrams
Fig. 9-6. 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. 313-345.
Tous les éléments sont incompatibles, sauf:
•Sr dans le plagioclase
•Y et Yb dans le grenat
•Ti dans la magnétite
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Éléments à potentiel ionique faible (large ion lithophile elements – LILE) K+ (1.64 Å), Rb+ (1.72 Å),
Cs+ (1.88 Å), Sr2+ (1.26 Å), Ba2+ (1.61 Å), Pb2+ (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. 9-6. 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. 313-345.
Table 9-6 A brief summary of some particularly useful trace elements in igneous petrology
Element Use as a petrogenetic indicator
Ni, Co, Cr Highly compatible elements. Ni (and Co) are concentrated in olivine, and Cr in spinel andclinopyroxene. High concentrations indicate a mantle source.
V, Ti Both show strong fractionation into Fe-Ti oxides (ilmenite or titanomagnetite). If they behavedifferently, Ti probably fractionates into an accessory phase, such as sphene or rutile.
Zr, Hf Very incompatible elements that do not substitute into major silicate phases (although they mayreplace Ti in sphene or rutile).
Ba, Rb Incompatible element that substitutes for K in K-feldspar, micas, or hornblende. Rb substitutesless readily in hornblende than K-spar and micas, such that the K/Ba ratio may distinguish thesephases.
Sr Substitutes 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, butas an incompatible at higher pressure where plagioclase is no longer stable.
REE Garnet accommodates the HREE more than the LREE, and orthopyroxene and hornblende doso to a lesser degree. Sphene and plagioclase accommodates more LREE. Eu2+
is stronglypartitioned into plagioclase.
Y Commonly incompatible (like HREE). Strongly partitioned into garnet and amphibole. Spheneand apatite also concentrate Y, so the presence of these as accessories could have asignificant effect.
Table 9-6. After Green (1980). Tectonophys., 63, 367-385. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.
Figure 9-8. (a) after Pearce and Cann (1973), Earth Planet, Sci. Lett., 19, 290-300. (b) after Pearce (1982) in Thorpe (ed.), Andesites: Orogenic andesites and related rocks. Wiley. Chichester. pp. 525-548, Coish et al. (1986), Amer. J. Sci., 286, 1-28. (c) after Mullen (1983), Earth Planet. Sci. Lett., 62, 53-62.
Réservoirs Mantelliques