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Contamination en soufre et en semi-métaux de magmas mafiques par assimilation de sédiments et implications pour la formation de gisements de nickel-cuivre-éléments du groupe du platine. Exemple du Complexe de Duluth, Minnesota, États-Unis

Samalens Nadège. (2017). Contamination en soufre et en semi-métaux de magmas mafiques par assimilation de sédiments et implications pour la formation de gisements de nickel-cuivre-éléments du groupe du platine. Exemple du Complexe de Duluth, Minnesota, États-Unis. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

La contamination en soufre (S) du magma est une étape clef pour la formation de gisements de Ni-Cu-EGP (Éléments du Groupe du Platine). L‘apport de S au magma depuis les roches sédimentaires encaissantes provoque la saturation en S du magma et l‘individualisation d‘un liquide sulfuré capable de collecter les éléments chalcophiles contenus dans le magma silicaté. Cependant, les modalités de cette contamination n‘ont pas été préalablement élucidées et seront abordées dans cette thèse de doctorat. L‘unité basale de l‘Intrusion de Partridge River (PRI) du Complexe de Duluth contient des gisements de Ni-Cu-EGP. Le soufre contenu dans ces derniers provient d‘une unité de shales noirs riches en sulfures nommée la Bedded Pyrrhotite Unit, unité stratigraphique des roches encaissantes de la Formation de Virginia. De nombreux xénolithes de la Bedded Pyrrhotite Unit sont présents dans la zone basale du Complexe de Duluth. Les xénolithes de la Bedded Pyrrhotite Unit montrent différents degrés de fusion partielle dans le magma mafique. Une étude pétrographique et texturale des xénolithes de la Bedded Pyrrhotite Unit a permis de mettre en évidence la présence de gouttelettes de sulfures dans le produit de fusion partielle des xénolithes. Le calcul de modèles d‘assemblages de minéraux à l‘équilibre montre que les xénolithes de la Bedded Pyrrhotite Unit enregistrent des températures dans le magma comprises entre ~800 et 1000°C; températures suffisantes pour la fusion des sulfures dans les xénolithes. Les gouttelettes de sulfures dans le produit de fusion partielle des xénolithes de la Bedded Pyrrhotite Unit sont composées de pyrrhotite, chalcopyrite, cubanite et pentlandite. Les roches mafiques entourant les xénolithes, nommées norites, sont constituées d‘un mélange de produit de fusion partielle des xénolithes de la Bedded Pyrrhotite Unit et de composants d‘origine magmatique. Dans ces norites des gouttelettes de sulfures composées de pyrrhotite, chalcopyrite, cubanite et pentlandite sont également observées dans des poches de produit de fusion partielle. Ces observations démontrent que les gouttelettes de sulfures sont libérées depuis les xénolithes de la Bedded Pyrrhotite Unit dans le magma mafique via le produit de fusion partielle des xénolithes. Les xénolithes de la Bedded Pyrrhotite Unit sont riches en S et en semi-métaux (Te, As, Bi, Sb et Sn). Une étude géochimique roche totale montre que les rapports δ34S ainsi que le contenu en semi-métaux des sulfures dans les roches mafiques diminuent progressivement avec la distance aux xénolithes de la Bedded Pyrrhotite Unit. Nous proposons, basé sur ces observations, un modèle de contamination en S et en semi-métaux du magma mafique par les xénolithes de la Bedded Pyrrhotite Unit. Les gouttelettes de liquide sulfuré dans le produit de fusion partielle des xénolithes de la Bedded Pyrrhotite Unit sont transférées depuis les xénolithes vers le magma mafique lors de la libération du produit de fusion partielle dans le magma. Les gouttelettes de liquide sulfuré ainsi transférées vont ensuite s‘équilibrer avec le magma et entrainer sa contamination en S et en semi-métaux. Enfin, une étude détaillée des phases sulfurées au LA-ICP-MS montre que les minéraux sulfurés ne contrôlent pas entièrement le budget en éléments chalcophiles. Les semi-métaux sont distribués dans les minéraux du groupe du platine (MGP) et certaines phases silicatées. Des composés riches en matière organique pourraient aussi jouer un rôle dans la concentration de ces éléments dans les shales noirs.

Sulfur (S) contamination of magma is a key process for the formation of Ni-Cu-PGE (Platinum-Group Element) deposits. Sulfur addition into the magma from sedimentary country rocks may allow S saturation of the magma and the individualization of sulfide liquid capable of collecting Ni, Cu and the PGE from the magma. However, mechanisms for S transfer have not been previously established and will be addressed in this doctoral thesis. The basal unit of the Partridge River Intrusion (PRI) in the Duluth Complex contains Ni-Cu-PGE deposits. The source of S for these is thought to be a S-rich black shales unit, named Bedded Pyrrhotite Unit, stratigraphic unit within the Virginia Formation country rocks. Many xenoliths of the Bedded Pyrrhotite Unit are found in the basal unit of the Duluth Complex. Xenoliths show different degrees of partial melting in the mafic magma. Petrographic and textural study of xenoliths of the Bedded Pyrrhotite Unit has shown the presence of sulfide droplets in the anatectic melt of the xenoliths. Mineral equilibria calculations of xenoliths of the Bedded Pyrrhotite Unit shows that xenoliths record temperatures between ~ 800 and 1000°C in the magma; temperatures sufficiently high to allow melting of the sulfides within. The sulfide droplets within the xenolith anatectic melt consist of pyrrhotite, chalcopyrite, pentlandite and cubanite. The hybrid mafic rocks surrounding the xenoliths, named norites, are composed of anatectic melt mixed with components from the magma. Sulfide droplets that consist of pyrrhotite, chalcopyrite, pentlandite and cubanite occur in the anatectic melt in the norites. These observations show that sulfide droplets were entrained in the xenolith anatectic melt and transferred to the mafic magma. Xenoliths of Bedded Pyrrhotite Unit are rich in S and semimetals (Te, As, Bi, Sb and Sn). Semimetals are chalcophile elements and therefore contamination of mafic magma with black shale xenoliths may produce sulfide melts enriched in these elements compared to sulfide melts formed from mafic magmas. A whole rock geochemical study shows that δ34S and semimetals contents of sulfides in the mafic rocks decrease with distance from the xenoliths. Based on these observations, we proposed a model of S and semimetals contamination of the mafic magma by xenoliths of the Bedded Pyrrhotite Unit. Sulfide droplets were entrained in the xenolith anatectic melt and transferred to mafic magma. Then sulfide droplets will equilibrate with the magma and cause its S and semimetals contamination. A detailed study of sulfide phases by LA-ICP-MS shows that the entire chalcophile elements budget is not hosted by base metal sulfides. Semimetals must be hosted by platinum group minerals (PGM) and silicate phases, i.e. plagioclases and pyroxenes. Some other phases such as organic compounds may also host semimetals in the black shales.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:2017
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en sciences de la terre et de l'atmosphère
Nombre de pages:326
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Sciences naturelles > Sciences de la terre (géologie, géographie)
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Unité d'enseignement en sciences de la Terre
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Barnes, Sarah-Jane
Sawyer, Edward W.
Mots-clés:Complexe de Duluth, contamination in-situ, fusion partielle, gisements de Ni, shales noirs proterozoiques, sulfures magmatiques, diffusion
Déposé le:13 juin 2017 10:42
Dernière modification:14 juin 2017 13:51
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