Immiscibilité dans les magmas, comme l’huile et l’eau
Une équipe de recherche issue des universités de Cambridge et de l’ULiège, avec la participation d’acteurs du monde de l’industrie, vient de mettre le doigt sur un mécanisme important et furtif qui se produit au moment du refroidissement des basaltes, le type de roche magmatique le plus abondant sur Terre et qui pourrait être à la source d’importants gisements de minerai. Cette découverte fait l’objet d’une publication dans le journal Nature Communications.
L
es magmas produits à grande profondeur et à une température de 1200-1300°C dans le manteau de la Terre forment la croûte océanique ou continentale lors de leur éruption à la surface de notre planète. Lorsque ces magmas refroidissent, ils cristallisent et produisent une suite de roches ayant des caractéristiques chimiques, physiques et minéralogiques différentes. Ce processus, appelé différenciation, est responsable de la diversité des roches magmatiques que nous voyons aujourd'hui dans les régions volcaniques.
A l’Université de Liège, Bernard Charlier (chercheur qualifié FRS-FNRS au sein de l’Unité de recherches GEOLOGY/Faculté des Sciences), étudie depuis de nombreuses années le processus d'immiscibilité dans les magmas. L’immiscibilité correspond à l'incapacité de deux liquides à se mélanger, comme l'huile et l'eau, ou à se séparer spontanément quand les conditions physico-chimiques des magmas changent. Des travaux récents à l’ULiège ont montré que cette immiscibilité est un processus important qui se développe pendant le refroidissement des laves, produisant soudainement deux magmas de compositions différentes. L’une de ces compositions est enrichie en fer ce qui pousse les chercheurs à suggérer que ce processus peut être à l'origine de différents types de minerais.
Image au microscope électronique (électron rétrodiffusés) d'un basalte immiscible de la province du Yellowstone, USA.
Afin de vérifier cette théorie, les chercheurs de l’Université de Liège ont collaboré avec l’Université de Cambridge pour étudier des échantillons de roches naturelles provenant du monde entier et en particulier de la Province du Yellowstone (USA), une des régions volcaniques les plus actives que notre planète ait connue. Victoria Honour, jeune chercheuse au Département des Sciences de la Terre de Cambridge, a aussi réalisé un long séjour à Liège afin d’utiliser le tout nouvel équipement expérimental de pointe dont dispose le Laboratoire de Pétrologie expérimentale de l’ULiège. Ensemble, les chercheurs ont pu compléter d’étude du processus d'immiscibilité dans les magmas à l'aide d’expériences réalisées dans des fours à haute température (maximum 1800°C) combinées à de l’imagerie et de l’analyse chimique à extrêmement haute résolution.
L'une des découvertes majeures de cette étude est la caractérisation d'une nano-émulsion de deux liquides. Cette découverte fût rendue possible par la caractérisation tridimensionnelle de la position des atomes de fer dans les roches grâce à la nouvelle technologie de tomographie par sonde atomique sur verre magmatique. Les mesures, effectuées à CAMECA Instruments Inc. (Madison, Etats-Unis), ont permis de déterminer la composition chimique des globules à l'échelle du nanomètre. Ces nouvelles techniques d'analyse à haute résolution ont permis d’identifier un processus naturel, extrêmement important mais impossible à reconnaître avec des méthodes optiques et analytiques conventionnelles malgré que ces roches aient été étudiées pendant des décennies.
La découverte du processus d’immiscibilité dans les basaltes a des implications importantes pour les propriétés physiques des magmas, notamment pour les mécanismes d’éruption. Par ailleurs, la séparation physique des liquides immiscibles peut conduire à l’accumulation locale de magmas riches en fer dont la cristallisation peut produire différents types de gisements. Cette étude ouvre de nouvelles portes pour la compréhension de la stabilité chimique des magmas, leur structure, et l’effet du refroidissement sur la séparation des liquides. Les prochaines études s’attacheront à identifier la gamme compositionnelle de magmas dans laquelle l’immiscibilité se développe et à identifier des traces de ce processus furtif dans les gisements magmatiques de fer observés partout dans le monde.
Références scientifiques
Honour VC, Holness MB, Charlier B, Piazolo SC, Namur O, Prosa TJ, Martin I, Helz RT, Maclennan J, Jean MM (2019) Compositional boundary layers trigger liquid unmixing in a basaltic crystal mush. Nature Communications 10(1) : 4821
Honour VC, Holness MB, Partridge JL, Charlier B (2019) Microstructural evolution of silicate immiscible liquids in ferrobasalts. Contributions to Mineralogy and Petrology 174(9) : 77
Contact
Bernard CHARLIER I UR Geology I Laboratoire de pétrologie expérimentale
