Partage des métaux entre liquide sulfuré et liquide silicaté : Expérimentation, modélisation et applications aux gisements de sulfures magmatiques

Metal partitioning between sulfide and silicate liquids : Experiments, modeling and applications to magmatic sulfide ore deposits

• Auteur / Autrice : Clément Ferraina
• Direction : Stanislas Sizaret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance le 17/04/2018
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Pierre Lorand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stanislas Sizaret, Jean-Pierre Lorand, Guy Libourel, Nicholas T. Arndt, Giada Iacono-Marziano, Isabelle Achin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermodynamique

Métaux -- Traitement thermique

Séparation (technologie)

Sulfures (minéralogie) -- Gisements

Mots clés libres

Partage des métaux

Expérimentation

Modélisation

Gisements de sulfures magmatiques

Metal partitioning,

Experimental petrology

Modeling

Magmatic sulfide ore deposit

Résumé

Comprendre l’enrichissement des liquides sulfurés en éléments chalcophiles et sidérophiles pouvantmener à la formation de gisements de sulfures magmatiques.Le premier objectif de cette thèse a été de quantifier les variations des coefficients de partage (Dsul/sil)de Co, Ni, Cu, Pd, Ag, Pt et Au dans des conditions crustales typiques des intrusions de la région deNoril’sk-Talnakh (Russie), par le biais d’une étude expérimentale en autoclave à chauffage interne,effectuée à 1200 °C, 70 MPa, sous différentes fugacités d’oxygène.Les résultats montrent que les Dsul/sil de Pd, Ag, Pt et Au augmentent avec la teneur de ces élémentsdans le liquide sulfuré, indiquant qu’ils ne suivent pas la loi de Henry, au contraire de ceux de Co, Ni, etCu. Ces Dsul/sil permettent de reproduire les teneurs en métaux des sulfures naturels de la région deNoril’sk, à partir d’un magma parent plus enrichi en Pd et Pt que les laves de la région, et en invoquantl’interaction entre des masses de liquide silicaté et de liquide sulfuré pour pouvoir enrichir ce dernier(facteur R entre 300 et 1000 pour les sulfures massifs et entre 300 et 6000 pour les disséminés).Le second objectif de cette thèse a été de modéliser, par une approche thermodynamique, les variationsdes Dsul/sil en fonction des conditions magmatiques. Ce modèle décrit les variations des Dsul/sil avec latempérature, la pression, la fugacité d’oxygène et la chimie des liquides, et suggère que les magmasmafiques à l’équilibre avec les liquides sulfurés les plus enrichis sont ceux qui ont les plus faiblestempératures et pressions, et les fugacités d’oxygène les plus élevées.

A comprehensive knowledge of metal partitioning between sulfide liquid and silicate melt is essential tounderstand sulfide liquid enrichment in chalcophile and siderophile elements that can lead to theformation of magmatic sulfide ore deposits.The first aim of this thesis was to quantify the partition coefficients (Dsul/sil) for Co, Ni, Cu, Pd, Ag, Pt andAu at crustal conditions relevant to the Noril’sk-Talnakh region (Russia), through an experimental studyconducted in internal heated pressure vessels at 1200 °C, 70 MPa, and under variable oxygenfugacities.Our results show that Dsul/sil for Pd, Ag, Pt and Au increase with the content of the element in the sulfideliquid, showing that they do not follow Henry’s law, in contrast to those for Co, Ni, and Cu. These Dsul/silcan reproduce the metal contents of natural sulfides of the Noril’sk region, starting from a parent magmaPd- and Pt-richer than the lavas of the region, and invoking an interaction between the masses of silicateliquid and sulfide liquid in order to enrich the latter.The second objective of this thesis was to model Dsul/sil variations as a function of magmatic conditions,using a thermodynamic approach. This modeling allows investigating the variations of Dsul/sil withtemperature, pressure, oxygen fugacity and the compositions of both liquids and suggests that the maficmagmas with the lowest temperatures and pressures and the highest oxygen fugacities are those inequilibrium with the most enriched sulfide liquid.