Etude du comportement du fer, du chrome et du cuivre lors des processus hydrothermaux liés à la serpentinisation des ophiolites téthysiennes d'Iran

An evaluation of the behavior of the iron, chromium and copper during hydrothermal processes of serpentinized peridotites from Tethyan ophiolites in Iran

• Auteur / Autrice : Alireza Eslami
• Direction : Fabrice Brunet, Ali Kananian, Benjamin Malvoisin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 16/05/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes en cotutelle avec University of Teheran
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Alexandr Vladimirovič Sobolev
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fédérica Zaccarini, Andréas Michael Beinlich
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fernando Barra, Isabelle Martinez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Serpentinite

Ophiolites

Mots clés libres

Magnetite ore

Ophiolites de la Téthys

Serpentinite

Altération hydrothermale

Tethyan ophiolite

Hydrothermal alteration

Magnetite ore

Serpentinite

Résumé

L'objectif principal de cette thèse de doctorat est de mieux comprendre le transfert de masse de trois éléments d'intérêt économique, le fer, le chrome et le cuivre, notamment pendant la serpentinisation des roches ultramafiques. Au cours de la dernière décennie, les processus de formation des gisements de métaux au sein de massifs de serpentinite et de taille exploitable ont attiré l'attention des géologues. L'une des caractéristiques du processus de serpentinisation est de générer des conditions fortement réductrices, au moins dans ses premiers stades. En effet, la serpentinisation d’une péridotite produit des quantités substantielles de dihydrogène (H2) qui favorise la stabilité des métaux natifs. L'étude de l'effet de ces conditions extrêmes de RedOx pendant la serpentinisation, sur la mobilité des métaux est au cœur de ce travail de thèse.Pour avancer dans cet objectif global de recherche, cette thèse de doctorat présente les résultats de deux études de cas naturels sur les processus clés du transfert de masse et de l'évolution du RedOx pendant l'interaction fluide hydrothermal – roche ultramafique : (i) les minerais de magnétite podiforme associés aux serpentinites dans l'ophiolite de Sabzevar (NE de l'Iran) et (ii) les pyroxénites riches en cuivre altérées par voie hydrothermale dans le massif ophiolitique de Cheshmeh-Bid (Sud de l'Iran). Les observations systématiques sur le terrain, ainsi que les observations texturales à l'échelle du µm et du nm, les signatures géochimiques provenant des analyses sur roche totale et de la microanalyse, et la modélisation thermodynamique ont été utilisées pour comprendre les processus qui ont conduit à la formation de magnétite et de cuivre natif dans les péridotites ophiolitiques, notamment au cours la serpentinisation.En conclusion, les conditions fortement réductrices associées à la serpentinisation des péridotites océaniques sont considérées comme une condition préalable à la formation de gisements de cuivre natif et de magnétite dans les serpentinites du Sabzevar. Dans ces conditions de faible température et de fugacité d’H2 élevée, le chrome reste (quasi) immobile tandis que le Fe et le Cu sont des éléments qui sont transférés (> 10 m) vers les sites de minéralisation au cours de la réaction. La source de cuivre peut être soit la désulfuration de sulfures de cuivre primaires, soit des fluides pauvres en S pendant l'altération hydrothermale pour la formation de cuivre natif. La source de fer nécessaire à la formation du minerai de magnétite est la décomposition de l'olivine et/ou la dissolution de grains de magnétite nanométriques initialement formés dans la serpentinite hôte. Les facteurs cumulatifs contrôlant la formation de gisements de minerai dans les serpentinites sont le rapport fluide/roche, le rapport silicate/spinelle, la fugacité d'oxygène, la zone perméable et la composition initiale des péridotites. Par conséquent, les serpentinites dans les ophiolites téthysiennes où ces paramètres peuvent amplement varier doivent être considérées comme une cible pour comprendre la formation des minerais, ce qui aide à une exploration future.

The main objective of this Ph.D. dissertation is to better understand mass transfer of Fe, Cr and Cu, three elements of economical interest, during serpentinization of ultramafic rocks. During the last decade, processes of formation of serpentinite-hosted metal deposits with mineable sizes has attracted attention as curiosities. One of the characteristics of the serpentinisation process is to generate highly reducing conditions in its early stages. Indeed, serpentinization of peridotite triggers the generation of substantial amounts of dihydrogen (H2,aq) which favors the stability of native metals in serpentinites. The study of the effect of these extreme RedOx conditions achieved during serpentinization, on the mobility of metals is at the heart of this PhD work.To advance in this overall research goal, this Ph.D. thesis presents the results of two natural case studies of key processes of mass transfer and RedOx evolution during fluid-rock interaction: (i) serpentinite-hosted podiform magnetite ores in the Sabzevar ophiolite (NE Iran) and (ii) Cu-rich hydrothermally altered pyroxenites in the Cheshmeh-Bid ophiolitic massif (Southern Iran). These two occurrences have been selected since they provide a remarkable case study to better constrain Fe, Cr and Cu mobility during the hydrothermal evolution of peridotite-hosted hydrothermal systems. The systematic field observations together with textural observation at both µm- and nm-scales, geochemical signatures from whole-rock analyses and microanalysis and thermodynamic modelling were used to figure out the processes that promoted magnetite and copper formation in ophiolitic peridotites during serpentinization.To conclude, the strongly reducing conditions associated with serpentinization of oceanic peridotites is considered to be a prerequisite for the formation of native copper and magnetite deposits in serpentinites. Under these low-T/high H2 activity conditions, Cr is almost immobile whereas Fe and Cu are elements to be transferred to mineralization sites during reaction. The source of copper may be either desulfurization of primary Cu-sulfides or S-poor fluids during hydrothermal alteration for native copper formation. The source of iron necessary for magnetite ore formation is olivine breakdown and/or dissolution of nanoscale magnetite grains initially formed in the host serpentinite. Cumulative factors controlling the formation of ore deposits in serpentinites are fluid/rock ratio, silicate/spinel ratio, oxygen fugacity, permeable zone and initial composition of peridotites. Therefore, serpentinites in Tethyan ophiolites must be considered as a target for understanding the formation of the ores which helps for a future exploration.