GEOCHIMIE DU NIOBIUM ET DU TANTALE : distribution et fractionnement de ces deux éléments dans les différents réservoirs terrestres. 1

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GEOCHIMIE DU NIOBIUM ET DU TANTALE :

distribution et fractionnement de ces deux éléments dans les différents

réservoirs terrestres.

1

Pourquoi s’intéresser

au niobium et au tantale ?

2

1

10

100

1000

RbBa

ThNb Ta

LaCe

PrSr

NdZr

HfSm

EuGd

TbDy

HoEr

TmYb

Lu

OIB

1

10

100

1000Croûte CONTINENTALE

ARC

RbBa

ThNb Ta

LaCe

PrSr

NdZr

HfSm

EuGd

TbDy

HoEr

TmYb

Lu

Roch

e /

Man

teau p

rim

itif

Nb et Ta : 2 éléments trace au comportement particulier

Anomalie négative de Nb-Ta

Anomalie positive de Nb-Ta

»» Fractionnement de Nb-Ta par rapport aux autres éléments

Variation des rapports Nb/Th et Ta/La

3

V Cr

Siderophile à HPÉléments REFRACTAIRESet transitionnels

(McDonough & Sun, 1995)Siderophile

Fe

Ru

Os

Co

Rh

Ir

Ni

Pd

Pt

Mo

W Re

Lithophile

Hf

Be

Mg

Ca

Sr

Ba

Ti

Zr

Sc

Y

La

Al Si

Th U

Ce Nd Yb LuDy Ho Er TmSm Eu Gd TbPr Pm

Nb et Ta : Réfractaires et lithophiles

Nb

Ta

4

Nb Ta

Chondrite : Terre non différenciée

Nb et Ta lithophiles

Nb Ta

Noyau

Terre silicatée = Manteau primitif

(Nb/Ta) chondritique=

(Nb/Ta) Terre silicatée

Implications de leur caractère réfractaire et lithophile

(Nb/Ta) terre globale=

(Nb/Ta) reste du système solaire

5

Nb et Ta réfractaires

670 km

2900 km

D’’

Noyau

Man

teau

(d’après Kellogg et al.,1999)

MORB :15,5 (±1)(Jochum & Hofmann, 1998)

OIB : <17,5 (Jochum & Hofmann, 1996)14,7-16,5 (Jochum et al., 1997)

Croûte continentale supérieure : <14 (Jochum & Hofmann, 1998)12-13 (Barth et al., 2000)

Croûte continentaleinférieure ? Laves d’arcs :

17,1-29,7 (Stolz et al., 1996)<17,5 (Plank & White, 1995)

Manteau lithosphérique ?

Nb/Ta dans les différents réservoirs

»» Réservoir caché avec Nb/Ta suprachondritique (>17,5) ?

6

Nos moyens…

7

Méthode d’analyse de Nb et Ta

Actuellement

1 méthode : ICP-MS• Mesures simultanées des 2

éléments (+ REE…)• Limites de détections plus

basses

• Meilleur précision sur le rapport Nb/Ta

• Analyse d’une plus grande varièté de roches

• Variations de Nb/Ta

Avant

2 méthodes différentes

• XRF : Nb• INAA : Ta

Nb/Ta constant et chondritique (17,5)

8

Sélection des échantillons analysés par ICP-MS

670km

100km

8km

2900km

Vanuatu Pérou

Hoggar Massif Central

Afrique du Sud

Kaapvaal

manteau lithosphérique

croûte océanique

Brésil 3.4-

2.7Ga

Craton Sino-

Coréen

Hoggar 1.35Ga

530-800Ma

Massif Central 300Ma

suprecroûte continentale

infre

ARCHEEN ACTUEL

manteau asthénosphèrique

OIB Austral-Cook

Afrique du Sud 3.5Ga Amérique du Nord 2.7Ga Brésil 3.16Ga, 1.86Ga, 1.37Ga

MORBKomatiites

9

1000 km

Hawaii

Tonga-Kermadec

Mariannes

Australes-Cook

Socièté

Marquises

BrésilCraton du Sao

Pérou

Craton Sino-Cor éen

Craton du Kaapvaal

Cap VertHoggar

Rift Est Africain

Massif Central

OmanKohistan

zone de

axe de la dorsalefailles transformantes

Province du Lac Sup érieur

Faille TransformanteGarrett -

Ride N Chili

Vanuatu

Nouvelle Z élande

Gorgone

Abitibi

Barberton

Kaiserstuhl

Banks Peninsula

Kansas Iowa

Cote d'Ivoire

HokkaidoHoroman

0°

50°N

50°S

zone de subduction

Sikhote-Alin

Ronda

péridotite (manteau lithosphèrique)

croûte continentale supérieure

laves d'arc

OIB komatiites

MORBcarbonatites

roches vertes associéesaux komatiites

croûte continentale inférieure

Nouvelle Zélande

Cette étude

Cette étude

Cette étude

Une autre étude

Une autre étude

Une autre étude

10

Francisco

Les résultats des analyses ICP-MS

en roche totale :

A- t-on trouvé le réservoir suprachondritique ?

11

Arcs continentaux et intra-

océaniques

:

10

20

30

40

50

60

70

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

1

0,01

1000

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

OIB1

NbTa

Croûte continentale supérieure

10

20

30

40

50

60

20

40

60

80

100

120

1

10

20

30

40

50

60

5

10

15

20

25

30

35

25

MORB 1

5

10

15

20

2

4

6

8

10

12

14

Komatiites 1

Lithosphère mantellique

5

10

15

20

25

30

35

5

10

15

20

25

1

Croûte continentale inférieure

1

2

3

4

5

6

7

8

1

2

3

4

5

1

2

3

4

5

6

7

1

8

10

20

30

40

50

60

Nb/Th (0,5)

8,4

Nb/Ta(1)

17,5

9060

13 23

16 90

20 30

4 7

35 55

5590

13,5

19,2

23,8

14,4

15,2

16,5

Nb/Ta

Moyen

15,5

8,4 17,5

Roche /M.P.

Manteau lithosphérique et croûte inférieure :

Les réservoirs suprachondritiques manquants ???

13

10

15

20

25

30

35

700 800 900 1000 1100

T° C

Nb

/Ta

20 30 40 50 60

P en Kbar

Craton du Kaapvaal

»Microphases ?

»Fluides carbonatés ?

Solidification graduelle de magmas translithosphériques :

FRB 1330D FRB 1330D

CU 7

basse température

10

1

0,1

0,01

Roch

e /

man

teau

pri

mit

if

Th Nb La Pr Sm Gd Dy Er YbU Ta Ce Nd Eu Tb Ho Tm Lu

Massif Central

PCVPCV

haute température

Manteau lithosphérique

14

QuickTime™ et un décompresseurTIFF (LZW) sont requis pour visualiser

cette image.

50 m

feldspath

clinopyroxene

olivine

rutiles

Les microphases (rutiles) enrichies en Nb et Ta

15

BSE

Fe

Nb

Ti

Hétérogénéité de certains rutiles

16

Nb

/Ta

10

15

20

25

30

35

40

0,00001 0,001 0,1 10

Nb (%)

Roches totales (ICP-MS)

Rutiles

9513-7 9513-13

Résultats des analyses à la microsonde électronique 17

Lherzolites à spinelle

Barhatny (Sibérie)

CarbonatitesTamazert (Maroc)

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

10000

RbBaTh U NbTaLa CePr SrNdZr HfSmEuGdTbDyHoEr TmYb LuR

och

e /

M.P

.Rb Th Nb La Pr Nd Hf Eu Tb Ho Tm Lu

Ba U Ta Ce Sr Zr Sm Gd Dy Er Yb

Roch

e /

M.P

.

Roch

e /

M.P

.Rb Th Nb La Pr Nd Hf Eu Tb Ho Tm Lu

Ba U Ta Ce Sr Zr Sm Gd Dy Er Yb

Interventions de fluides carbonatés ?

0,01

0,1

1

10

Roch

e /

M.P

.

18

Craton Sino-Coréen Craton sino-coréen

Hoggar Massif Central

0

1

2

3

0,01

0,1

1

10

100

(Nb

/Ta)

norm

alis

é M

.P.

(Nb

/Th

) n

orm

alis

é M

.P.

Xénolites de base de croûte orthodérivés

Xénolites de base de croûte paradérivés

Croûte supérieure

Nb/Ta et Nb/Th dans la crôute continentale19

gabbro

0

0

5

10

15

20

25

0,001 0,01 0,1 1 0,01 0,1 1

5

10

15

20

25

30

30

croûte supérieure craton sino-coréen et craton de Sao Francisco : Archéen

base de croûte

croûte supérieure du Massif Central (orogénèse hercynienne)croûte supérieure du Hoggar (orogénèse panafricaine)

laves d'arcs continentaux (Pérou) : cette étude

laves d'arcs intra-océaniques (Vanuatu) : cette étude

laves d'arcs intra-océaniques (Vanuatu et Mariannes) : données de la littérature

granite tonalite

diorite




Arcs cont inentaux

Arcs intra-

océaniques

Arc du Kohistan

Arcs

Croûte continentale

(a) (c)

(b) (d)

Nb

/Ta

Nb

/Ta

Th/La Th/La

MORB OIB

(Base de l’arc)

20

Nb (ppm)

Ta (ppm) Nb/Ta Proportions


0,8 0,035 22,9 0,795

Croûte continentale 11,5 0,8 14,4 0,205

Lithosphère (calculée)

3,0 0,19 15,6

Bilan à l’échelle de la lithosphère

Les valeurs élevées de Nb/Ta dans la croûte inférieure et le manteau lithosphérique sont dûes à des processus de différenciation interne faisant intervenir des migrations de faibles fractions de liquides.

21

OIB :

Traces du réservoir caché ???

22

0.7025

0.7030

0.7035

0.7040

0.7045

0.7050

0.7055

0.7060

17 18 19 20 21 22

0.085<Ta/La<0.095

Société

Rarotonga

Aitutaki

Rapa

Mururoa

Fangataufa

Gambier

Atiu

Raivavae

MacDonald

Tubuai Mangaia

Rurutu ancien

Rurutu récent

EM I

DMM HIMU

Hawaii

Marquises

Marotiri

EM II

Valeurs moyennes de Ta/La

Ta/La<0.085

Ta/La>0.095

Ua Pou himu (Marquises)

0.7025

0.7030

0.7035

0.7040

0.7045

0.7050

0.7055

0.7060

Société

Rarotonga

Aitutaki

Rapa

Mururoa

Fangataufa

Gambier

Atiu

Raivavae

MacDonald

Tubuai Mangaia

Rurutu ancien

Rurutu récent

EM I

DMM HIMU

Hawaii

Marquises

Marotiri

EM II

Valeurs moyennes de Nb/Th

Nb/Th<12

12<Nb/Th<15

Nb/Th>15

87S

r/86S

r87S

r/86S

r

206Pb/204 Pb

23

Socièté

Marquises

Socièté

Marquises

Hawaii

Hawaii

0.7025

0.7030

0.7035

0.7040

0.7045

0.7050

0.7055

0.7060

17 18 19 20 21 22

Société

Rarotonga

Aitutaki

Rapa

Mururoa

Fangataufa

Gambier

Atiu

Raivavae

MacDonald

Tubuai Mangaia

Rurutu ancien

Rurutu récent

EM I

DMM HIMU

Hawaii

Marquises

Marotiri

EM II

Valeurs moyennes de Nb/Ta

18.5

Ua Pou himu (Marquises)

Nb/Ta>17,5

87S

r/86S

r

206Pb/204 Pb

24

Socièté

Marquises

Hawaii

Nb (ppm)

Nb/T

h

100

10

1

0,1

0,1 1 10 100 1000

Croûte inférieure orthodérivéeArcs intra-

océaniques

OIBMORB

MORB

OIB

Croûte inférieure orthodérivée

Arcs intra-océaniques

Nb/T

a5

10

15

20

25

30

35

Nb (ppm)

0,1 1 10 100 1000

Base de l’arc obducté du Kohistan

Croûte continentale supérieure(cette étude + littérature)

Vanuatu : laves d’arc intra-océanique

Hoggar : laves d’arc intra-océanique ou continentalPérou : laves d’arc continental

25

Et s’il y avait du Nb dans le noyau…

26

Paramètres de l’inversion du bilan de masse de Nb, Ta, Th, La dans la Terre Globale

Les concentrations de ces 4 éléments dans la Terre Globale sont chondritiques (Sun & McDonough, 1995)

Ta, Th et La sont strictement lithophiles concentration nulle dans le noyau

La concentration de Nb dans le noyau est inconnue (100% incertitude)

L’information prise en compte sur les rapports Nb/Ta, Nb/Th et Ta/La est indépendante des concentrations.

Les proportions massiques des réservoirs sont établies d’après des données géophysiques (Stacey, 1977; Taylor & McLennan, 1985, 1995; McDonough, 1990, Wedepohl, 1995)

27

Croûte continentale supérieureCroûte continentale inférieure


Manteau convectif

Noyau

Th Nb

Ta La

Résultats de l’inversion :

Répartition de Nb, Th, Ta, La dans les enveloppes terrestres

(proportions massiques) 0,15 ppm

28

5+

slope

4+slope

Log FO2 (relative to IW)

Log

D

(meta

l/si

licate

)

SiderophileLithophile

-6 -5 -4 -3 -2 -1 0

0

1

2

3

-1

-2

-3

Core-mantle equilibrium FO2

NbSiVCrTa

P= 25 GpaT= 2300°C

D’après Wade & Wood, 2001

29

CONCLUSION•Pour la plupart des réservoirs de la Terre silicatée : Nb/Ta infrachondritique (<17,5)

•Seule, la couche à l’interface croûte/manteau (croûte inférieure + manteau lithosphérique) : Nb/Ta suprachondritique

dû à la migration de faibles fractions de liquides

ne contrebalance pas les valeurs infrachondritiques de Nb/Ta

•Candidats pour le réservoir ‘caché’ à Nb/Ta suprachondritique :

Un réservoir non alimenté par les subductions et qui ne participe pas à la genèse des OIB

(Nb/Ta) arcs = (Nb/Ta)manteau convectif (Nb/Ta) faible de la croûte continentale n’est pas un héritage de la subductionPas de composant mantellique à Nb/Ta élevé dans la source des OIB

Le noyau


Merci à tous ceux qui ont participé à ce travail :

Jean-Louis Bodinier Claude Merlet Dmitri Ionov

A l’ICP-MS : Simone Pourtalès, Liliane Savoyant, Olivier Bruguier

Pour la constitution de la base de données : Marguerite Godard, Rosy Bedini, Xavier Lenoir, Olivier Alard, Laure Gerbert-Gaillard, Carlos Garrido.

Pour le programme d’inversion : Jacques Vernières

Pour la collecte , le prêt des échantillons …: Hans Barsczus, Walid Ben Ismaïl, Hervé Bertrand, Louis Briqueu, François Buscail, Renaud Caby, Jeronimo Cruz, Jean-Marie Dautria, Claude Dupuy, Yann lahaye, André

Leyreloup, Jean-Michel Liotard, Hervé Martin, Philippe Munier, Pierre Sabaté, Yigang Xu.

Pour la préparation des lames minces : Christophe Névado.

Bernadette Marie , au secrétariat

Tous les thésards pour leur bonne humeur…


Na

20 +

K2O

(%

)

0

10

98765

43

21

35 40 45 50 55

SiO2 (%)

17 < Nb/Ta <20

14 < Nb/Ta <17

Variations de Nb/Ta en fonction des teneurs en alcalins et SiO2

Relation avec le degré de fusion partielle

:

10

20

30

40

50

60

70

10

20

30

40

50

60

1

2

3

4

5

6

7

8

5

10

15

20

25

30

35

10

20

30

40

50

60

5

10

15

20

25

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

20

40

60

80

100

120

140

160

10

20

30

40

50

60

70

80

90

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

10

20

30

40

50

60

10

20

30

40

50

60

70

80

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0

10

20

30

40

50

60

70

80

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

20

40

60

80

100

120

1

2

3

4

5

5

10

15

20

25

5

10

15

20

25

30

35

2

4

6

8

10

12

14

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18


océaniques




MORB

Komatiites

OIB

Nb/Ta Nb/Th Ta/La

8,4 0,0617,5


océaniques


MORB

Komatiites



OIB

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

20

40

60

80

100

120

1

2

3

4

5

5

10

15

20

25

5

10

15

20

25

30

35

2

4

6

8

10

12

14

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

Nb/Th (0,5)

8,4

90

95

4

20

35

13

16

:

10

20

30

40

50

60

70

10

20

30

40

50

60

1

2

3

4

5

6

7

8

5

10

15

20

25

30

35

10

20

30

40

50

60

5

10

15

20

25

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

90

23

55

30

7

55

60 Nb/Ta(1)

17,5

0,01

0,1

10100

1000

1

1

1

1

1

1

1

0.7025

0.7030

0.7035

0.7040

0.7045

0.7050

0.7055

0.7060

17 18 19 20 21 22

206 Pb/204 Pb

87

Sr/

86

Sr

Hawaii

Marquises

Socièté

EM I

DMM HIMU

EM II

RRT1MRT

(b)

MORBGA

FA

MU

RVV MGATBA

RRT2

ATT A T URTG

RPAMCD

RVV

Ta/La0.025 0.045 0.065 0.085 0.105 0.125

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Nb

/Th

ATT

ATU

RTG

MGA

MUFA

HawaiiMORB

(a)

18,5

16,8

16,6

15,7

MCD15,2

RPA15,7

RVV

TBA

RRT2RRT1

16,0/17,1

16,7

17,1

16,1

GA15,7

16,316,0

15,4-17,4

15,0-16,9

15,2-16,3

MRT16,1

Marquises

Socièté

Nb

/Ta

10

15

20

25

30

35

40

0,00001 0,001 0,1 10

Nb (%)

Roches totales (ICP-MS)

Rutiles

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GEOCHIMIE DU NIOBIUM ET DU TANTALE : distribution et fractionnement de ces deux éléments dans les différents réservoirs terrestres. 1