Analyse LA-ICP-MS des grenats : caractérisation des éléments traces et
thermométrie monominérale appliquée à l’exploration diamantifère
Projet DIVEX SC17
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Gradients géothermaux typiques aous la croute continentale et la croute océanique avec le champ de stabilité diamant/graphite. |
Introduction
Les études de minéraux indicateurs contribuent fréquemment à localiser et caractériser des kimberlites et d’autres sources possibles de diamants. Le grenat représente l’un de ces minéraux indicateurs; on le rencontre comme produit du métamorphisme dans la croûte et il est aussi présent dans la lithosphère mantellique. Il s’agit d’un minéral stable sous une vaste gamme de pressions et de températures, et la chimie des éléments majeurs du grenat est couramment utilisée pour modéliser les conditions P-T enregistrées au cours d’événements géologiques. La concentration des éléments traces dans les grenats varie par plusieurs ordres de grandeur, allant de quelques centaines de ppm à quelques ppb. Les patrons d’éléments traces dans les grenats mantelliques peuvent être utilisés pour examiner l’évolution des sources dans le manteau et peuvent préserver un enregistrement des conditions P-T subies pendant et après leur cristallisation. Des techniques analytiques telles que le LA-ICP-MS, apparues pendant la dernière décennie, permettent une analyse rapide, précise et relativement peu coûteuse des éléments traces dans les minéraux.Les kimberlites les plus fortement diamantifères tendent à posséder des sources mantelliques appauvries, situées sous les cratons anciens, où des gradients géothermiques plus faibles que la normale existent. Conséquemment, les températures enregistrées par les grenats mantelliques peuvent aider à localiser des gisements diamantifères. Le nickel (Ni), qui entre en substitution dans le grenat, représente un élément particulièrement sensible aux variations de température. Le principal réservoir de Ni dans le manteau est l’olivine, et ce minéral montre des variations très restreintes de son contenu en Ni (~3100-2700 ppm). Ainsi, le contenu en Ni de grenats s’étant équilibrés avec des olivines dans le manteau peut être mesuré et sert de géothermomètre à un seul minéral. Les analyses au LA-ICP-MS constituent une bonne stratégie pour mesurer le contenu en Ni des grenats mantelliques (10-150 ppm), généralement sous la limite de détection des autres méthodes. De plus, la mesure du contenu en Ni des grenats peut être accomplie en même temps que la quantification de toute une série d’éléments traces (Ti, Zn, Ga, Y, Zr, terres rares, Hf, etc.), ce qui permet rapidement de mieux connaître ces minéraux indicateurs.
Stabilité du diamant dans la lithosphère mantellique produite par la concavité des gradients géothermaux continentaux. La partie du magma kimberlitique qui passe dans cette fenêtre (rouge) donnera des diamants et des indicateurs de diamants de cette fenêtre (intervalle de température de 900-1200°C).
Objectifs
L'objectif de ce projet était de tester la méthode LA-ICP-MS en utilisant du matériel de référence et de réaliser une analyse des variation d'éléments-traces dans des grenats indicateurs issus de plusierus cibles d'exploration du diamant au Québec. Cependant, dû à un manque d'accès, il a été impossible d'étudier une kimberlite à diamant. Au lieu, le projet a été concentré sur la calibration de la technique LA-ICP-MS et sur l'étude détaillée de la suite de grenats indicateurs des kimberlites de Notre Dame du Nord.
Méthode
Ce projet visait à développer et tester une méthode rapide et multi-éléments pour la caractérisation des éléments traces des grenats en utilisant le nouvel LA-ICP-MS de l'UQAC. Les éléments traces d'un matériel de référence pour le grenat (PN2) et d'un indicateur de grenat ont été analysés pour évaluer la méthode et fournir une plate-forme pour des études futures. Les résulats du LA-ICP-MS de l'UQAC pour le grenat PN2 montrent une bonne corrélation avec les valeurs de référence (coefficient de corrélation de >95%).
Les contenu en chrome et en éléments terre rares d'une suite représentative de grenats indicateurs de la kimberlite de Notre Dame du Nord ont été analysé de la même manière que le grenat PN2. La température du "Ni-dans-grenat" a été calculé en utilisant la méthode de Ryan et al. (1996) :
Température °C (Ni-dans-grenat) = 1000 / (1.506 - 0.189 x ln(contenu mesuré de Ni(ppm))) - 273
Le contenu en chrome des grenats mentelliques a été utilisé pour modéliser les pressions enregistrées, i.e. utilisé comme un baromètre monominéralique (Ryan et al. 1996). Le contenu en chrome a été combiné avec le thermomètre "Ni-dans-grenat" et les données ont été utilisées pour déterminée le gradient géothermal.
Contenu en Cr (ppm) en fonctions de la température du "Ni-dans-grenat" pour la suite de grenats indicateurs de Notre Dame du Nord. Le champ de stabilité pour la fenêtre de diamant à des gradients géothermaux froids est montré.
Résultats et conclusions
Deux suites de grenats, G9 et G10, provenant du complexe kimberlitique de Notre Dame du Nord, au nord du Lac Témiscamingue (Québec) ont été caractérisées par LA-ICP-MS. Les patrons de terres rares dans ces grenats indicateurs sont compatibles avec un manteau appauvri, indiquant une source profonde majeure de lherzolite et une source possible de harzburgite. Néanmoins, le contenu en chrome des grenats, combiné avec les températures déterminées grâce au thermomètre "Ni-dans-grenat", suggère un gradient géothermique élevé à normal. Il semble donc probable que le magma des pipes de Notre Dame du Nord ait échantillonné seulement un segment des sources mantelliques diamantifères.
La technique LA-ICP-MS représente un outil efficace pour l’analyse des éléments traces des grenats indicateurs, qui peut être utilisé en combinaison avec d’autres méthodes pour fournir de l’information importante afin de contribuer à localiser de nouvelles cibles d’exploration et d’en caractériser le potentiel diamantifère.
Références
RYAN, C.G., GRIFFIN, W.L., PEARSON, N.J. (1996): Garnet geotherms: Pressure-temperature data from Cr-pyrope garnet xenocrysts in volcanic rocks. Journal of Geophyscial Research (Solid Earth), 101; 5611-5625.
