Constellation, le dépôt institutionnel de l'Université du Québec à Chicoutimi

Résumé

La précipitation d’un minéral à partir d’un liquide est causée par des changements dans les variables intensives de pression, température, composition du liquide et fugacité d’oxygène (fO2). Ces changements sont provoqués par des processus tels que le transfert du magma dans la croûte (changements de pression), le refroidissement du liquide (changements de température), la cristallisation fractionnée, l’ajout d’un autre liquide ou la contamination crustale (changements de composition), ou le démixage d’un seul liquide en deux liquides distincts (immiscibilité). Les éléments majeurs d’un minéral sont essentiels à sa formation, et ne peuvent donc varier que d’une façon limitée, tandis que son contenu en éléments traces peut varier de plusieurs ordres de grandeur. Les concentrations d’un grand nombre d’éléments traces sont suffisamment élevées dans l’apatite pour pouvoir être quantifiées. De plus, l’apatite est retrouvée dans la plupart des roches crustales, ce qui reflète le fait qu’elle peut précipiter à partir d’une grande variété de liquides et selon un grand nombre de conditions différentes. Cette thèse documente le contenu en éléments traces d’apatites provenant d’intrusions mafiques litées et de granites afin d’investiguer si ces éléments peuvent être utilisés pour déduire les conditions dans lesquelles les apatites se sont formées. Comme les intrusions mafiques litées et les granites (types I, S et A) sont hôtes de différents types de minéralisations, les résultats seront ensuite appliqués à l’utilisation de l’apatite en tant qu’outil pour l’exploration minérale. Les buts principaux de cette thèse sont: 1) d’identifier quels processus sont enregistrés par les apatites dans les intrusions mafiques litées, et développer des proxys géochimiques pour tracer ces processus; et 2) de développer et d’améliorer la discrimination des apatites provenant des intrusions mafiques et des granites de type I, S et A, ce qui pourra être employé par les études de provenance et l’exploration minérale. Ces buts sont atteints via l’identification des éléments et ratios clefs sur un diagramme multiélément nouvellement conçu et en suivant une approche pétrogénétique. L’exemple bien caractérisé de la Suite Intrusive de Sept-Iles (Québec, Canada) permet de démontrer que l’évolution des apatites cumulus correspond à celle du magma (liquid line of descent), et enregistre donc la cristallisation fractionnée depuis un magma mafique vers un magma feslique. L’apatite cumulus montre un enrichissement en ETR+Y, Th, U, K, Pb et Rb, et un appauvrissement en Sr, Ba, V et Mg durant la cristallisation fractionnée. Les apatites cumulus peuvent aussi tracer la cristallisation de plagioclase, ainsi qu’une recharge et un mélange avec un magma plus primitif. Il est également démontré que la composition des apatites cumulus des niveaux riches et pauvres en Fe-Ti-P de la Zone Critique minéralisée est le résultat de l’immiscibilité de liquides silicatés. La signature de l’apatite permet d’identifier les parties les plus primitives ou évoluées d’une intrusion mafique. En effet, l’apatite intercumulus cristallise à partir du liquide piégé et est enrichie en éléments incompatibles (Lu, Th et Cl ), ainsi qu’en éléments compatibles (V), car elle se forme dans la partie la plus primitive de l’intrusion. L’analyse et la comparaison des apatites cumulus de plusieurs intrusions mafiques permet d’investiguer l’effet de plusieurs paramètres additionnels sur la composition des apatites. Pour la première fois, il est démontré que l’apatite cumulus peut enregistrer la contamination crustale de son magma parent. Cela se traduit par des valeurs plus élevés en (La/Nd)N, Th, U, Pb et As dans les intrusions les plus contaminées (e.g., Complexe du Bushveld, Complexe Igné de Sudbury), et est confirmé par des ratios (87Sr/86Sr)initial plus élevés dans l’apatite. La profondeur de fusion partielle du magma parent (i.e., la présence ou l’absence de grenat dans la source) est également tracée via le ratio (Gd/Yb)N de l’apatite cumulus. Enfin, ces travaux proposent un nouveau schéma de classification pour identifier les apatites provenant d’intrusions mafiques et de différents types d’intrusions felsiques (i.e., granites de type I, S et A). Premièrement, le diagramme Sr/Y vs. ETR légers existant permet d’identifier les apatites d’origine mafique et felsique des autres types de roches. Deuxièmement, les apatites des intrusions felsiques sont séparées de celles des intrusions mafiques en utilisant 2 diagrammes ternaires (ETR+Y, Sr/Y et Eu/Eu*; et As, (Gd/Yb)N et Pb+Th+U). Troisièmement, le diagramme log(La/Yb)N vs. YbN diagram existant distingue les apatites des intrusions archéennes et post-archéennes. Enfin, les apatites post-archéennes sont identifiées comme provenant de granites de type I, S ou en A selon Mn, V et le ratio (La/Nd)N. Les apatites des intrusions felsiques reflètent la présence des minéraux accessoires plutôt que la composition du magma. Les résultats de cette thèse démontrent que l’apatite reflète effectivement son environnement de formation, et peut donc être utilisée en tant qu’indicateur pétrogénétique robuste. De plus, pouvoir identifier la roche source d’une apatite détritique dans un terrain inexploré et recouvert de sédiments (e.g., glaciaires) peut se révéler un outil additionnel pour aider à l’évaluation de la prospectivité d’une large zone.

Precipitation of a mineral from a liquid is brought about by changes in the intensive variables pressure, temperature, composition of the liquid and oxygen fugacity (fO2). These changes are caused by processes such as magma transfer in the crust (changing pressure), cooling of the liquid (changing temperature), fractionational crystallisation, addition of another liquid or crustal contamination (changes in composition), or unmixing of a single liquid into separate liquids (immiscibility). The major elements in a mineral are essential to the formation of the mineral, and thus can only vary by a limited amount, whereas the variations in trace elements can vary by orders of magnitude. The concentrations of a wide variety of trace elements are sufficiently high in apatite for them to be quantified by laser ablation ICP-MS. In addition, apatite is found in most crustal rocks, reflecting the fact that it can precipitate from a wide variety of liquids and under a number of different conditions. This thesis will document the trace element contents of apatite from mafic layered intrusions and granites to investigate whether these can be used to deduce the conditions under which the apatite formed. As mafic layered intrusions and granites (i.e., I-, S- or A-type) are hosts to different types of mineralisations (Fe-Ti-V, Fe-Ti-P or Ni-Cu-PGE-Cr, and porphyry Cu-Mo, W-Sn skarns or hydrothermal veins, respectively), the results will then be applied to the use of apatite as a tool for mineral exploration. The main aims of this thesis are: 1) to identify which processes are recorded by apatite within mafic layered intrusions and develop petrogenetic geochemical proxies to trace those processes; and 2) to develop and improve the discrimination of apatite from mafic intrusions and from I-, S- and A-type granites, that will prove useful for provenance and mineral exploration studies. These aims are achieved using a petrogenetic approach, through the use of a newly designed multielement diagram that allows to identify key trace elements and ratios. Using the example of the well-characterised Sept-Iles Intrusive Suite (Quebec, Canada), it is demonstrated that the evolution of cumulus apatite matches that of the evolving magma (liquid line of descent) and thus records fractional crystallisation from mafic to felsic melts. Cumulus apatite records an increase in REE + Y, Th, U, K, Pb and Rb, and a decrease in Sr, Ba, V and Mg with fractional crystallisation. It can also fingerprint extensive crystallisation of plagioclase, as well as replenishment and mixing with a more primitive magma. In addition, it is demonstrated that the distinct composition of cumulus apatite from Fe-Ti-P-rich and -poor layers within the mineralised Critical Zone of Sept Iles is the result of silicate liquid immiscibility. Apatite signature also allows to clearly identify the more primitive or evolved parts of a mafic intrusion. Intercumulus apatite that crystallised from trapped liquid is enriched in incompatible elements (Lu, Th and Cl) as well as in compatible elements (V), as it forms in the more primitive part of the intrusion. The analysis and comparison of cumulus apatite from various mafic intrusions allows us to investigate the effect of the following additional parameters on apatite chemistry. For the first time, it is shown that cumulus apatite can record crustal contamination of its parental melt. This results in higher (La/Nd)N, Th, U, Pb and As in apatite from the most contaminated intrusions (e.g., Bushveld Complex, Sudbury Igneous Complex), and is confirmed by higher (87Sr/86Sr)initial in apatite. The depth of partial melting of the parental magma (i.e., the presence or absence of garnet in the mantle source) is also fingerprinted by the (Gd/Yb)N ratio of cumulus apatite. Lastly, this study proposes a novel classification scheme to identify apatite originating from mafic and the different types of felsic intrusions (i.e., I-. S- and A-type granites). First, the existing Sr/Y vs. LREE diagram identifies apatite of mafic and felsic origin from other types of rocks. Second, apatite from felsic intrusions are more precisely identified from mafic intrusions using 2 ternary diagrams (REE+Y, Sr/Y and Eu/Eu*; and As, (Gd/Yb)N and Pb+Th+U). Third, apatite from felsic intrusions can be identified as Archean or post-Archean based on the existing log(La/Yb)N vs. YbN diagram. Finally, post-Archean apatite is identified as originating from I-, S- or A-type granites using Mn, V and (La/Nd)N ratio. Apatite from felsic intrusions reflects the presence of REE-bearing accessory minerals rather than melt composition. The results of this thesis demonstrates that apatite does reflect its magmatic environment of formation and can therefore be used as a powerful petrogenetic indicator. Furthermore, being able to fingerprint the host rock of detrital apatite in unexplored, covered terrains (e.g., with glacial sediments) could provide an additional tool to help evaluate the prospectivity of a larger area.