Définitions et classifications

Les roches maintenant connues sous le nom de carbonatites ont été décrites à l’origine par Bose (1884) de la basse vallée de Narbada en Inde, mais ce n’est qu’après les recherches de Högbohm (1895) à Alnö, en Suède, et de Brøgger (1921) à Fen, en Norvège, qu’une origine magmatique a été postulée pour les roches carbonatées trouvées dans ces complexes alcalins. Tout le monde n’était pas d’accord avec ce concept; en particulier, les pétrologues très influents Reginald Daly (1933) et James Shand (1943) sont restés catégoriques sur le fait que ces « calcaires ignés » n’étaient que des mégaxénolithes de matériau sédimentaire. Cette division pétrologique est restée jusqu’aux travaux expérimentaux fondateurs de Wyllie &Tuttle (1960), qui ont montré que la calcite pouvait cristalliser sous forme de phase liquidus à des températures aussi basses que ∼650 ° C à 0,1 GPa. Cette étude a sonné le glas de l’hypothèse de syntexis calcaire (Shand 1943) pour la genèse des roches alcalines sous-saturées, et les travaux ont inauguré une décennie de regain d’intérêt pour les carbonatites en général (Heinrich 1966, Tuttle & Gittins 1966), mise en évidence par la découverte des laves de natrocarbonatite à Oldoinyo Lengai, en Tanzanie (Guest 1956, Dawson 1962).
Les carbonatites sont définies dans le système de classification de l’IUGS comme suit:  » roches ignées composées de plus de 50% modaux de carbonate primaire (c’est-à-dire magmatique) (sensu lato) et contenant moins de 20 % en poids.%SiO2  » (Le Maitre 2002).
Selon le minéral carbonaté prédominant, une carbonatite est appelée carbonatite de calcite, carbonatite de dolomie ou ferrocarbonatite, où le carbonate principal est riche en fer (Fig.1 bis). Si plus d’un minéral carbonaté est présent, les carbonates sont nommés par ordre de concentrations modales croissantes. Par exemple, une carbonatite calcite-dolomie est composée principalement de dolomie. Si des minéraux non essentiels (par exemple la biotite) sont présents, cela peut être reflété dans le nom de carbonatite biotite-calcite.
Lorsque la classification modale ne peut pas être appliquée, la classification chimique IUGS peut être utilisée (Fig.1 b). Cette classification, basée sur le poids. Les rapports en % subdivisent les carbonatites en calciocarbonatites, magnésiocarbonatites et ferrocarbonatites. Pour les calciocarbonatites, le rapport CaO/ (CaO + MgO + FeO + Fe2O3 + MnO) est supérieur à 0,8. Les carbonatites restantes sont subdivisées en magnésiocarbonatite et ferrocarbonatite (Woolley et Kempe, 1989; Le Maitre, 2002). Si la teneur en SiO2 de la roche dépasse 20%, on parle de silicocarbonatite. Une natrocarbonatite est une variété spéciale de carbonatite composée principalement de carbonates de Na-K-Ca, tels que la nyéréréite et la gregoryite, connus du volcan Ol Doinyo Lengai (Tanzanie).

Un raffinement de la classification chimique IUGS basée sur les proportions molaires, proposé par Gittins et Harmer (1997), introduit le terme calciocarbonatites ferrugineuses (Fig.1 b). La limite séparant les calciocarbonatites des magnésiocarbonatites et des calciocarbonatites ferrugineuses est fixée à 0,75, au-dessus de laquelle les carbonatites contiennent plus de 50% de calcite sur une base molaire. Bien qu’elle ne soit pas universellement acceptée, la classification de Gittins et Harmer est couramment utilisée dans les études des gisements de minerai hébergés par la carbonatite (par exemple, Trofanenko et al. 2016).

Fig.1 Classifications de la carbonatite selon (a) IUGS sur la base du poids.% (Le Maitre 2002) et (b) Gittins et Harmer (1997) sur la base des proportions molaires. C/CMF est le rapport molaire CaO/; FeO* exprimé en FeO molaire si FeO et Fe2O3 sont déterminés. De Simandl, G. J., &Paradis, S. (2018).

Une classification minéralogico-génétique des carbonatites a été proposée par Mitchell (2005). Son article de référence pointe les pièges de la classification IUGS et subdivise les carbonatites en carbonatites primaires et résidus carbothermiques. Le terme carbonatite carbohydrothermale est défini par Woolley et Kjarsgaard (2008b) comme une carbonatite qui a précipité à des températures sous-solides à partir d’un fluide mixte CO2-H2O qui peut être riche en CO2 (c.-à-d. carbothermal) ou riche en H2O (c.-à-d. hydrothermal).

Origine des carbonatites

Il existe actuellement trois hypothèses principales expliquant l’origine des fontes de carbonatite :
(1) séparation non miscible des magmas de silicates carbonatés parentaux aux pressions crustales ou mantelliques.
(2) fractionnement cristallin de magmas de silicates carbonatés parentaux tels que les mélilitites d’olivine ou les kamafugites.
(3) fusion partielle à faible degré de la péridotite du manteau carbonaté en dessous de 70 km de profondeur.
Des hypothèses invoquant ou soutenant une possible dérivation de carbonatites de la croûte terrestre, ou du manteau terrestre avec une certaine contribution crustale, ont également été proposées. De plus, une étude récente basée sur les isotopes du bore des carbonatites dans le monde suggère que, bien que la plupart des carbonatites puissent provenir du manteau supérieur, des carbonatites plus jeunes (
Cependant, quel que soit leur mode de formation, la plupart des chercheurs s’accordent à dire que les alka-lis (Na et K) jouent un rôle important dans la genèse des car-bonatites de calcite et de dolomie, et des intrusions de ferrocarbonatite. L’importance des alcalis dans la genèse des carbonatites est cohérente avec les études à basse température (2O et K2O, 4,5 wt.% F, 5,7 poids.% Cl, environ 15 poids.% Ca, et moins de 1 poids.% Mg et Fe combinés. L’évidence pétrographique et géochimique des carbonatites extrusives, ainsi que les preuves des carbonatites intrusives, suggèrent que les carbonatites riches en calcite et en dolomie sont des résidus ou des cumuls issus de fontes alcalines (modérément alcalines).

Réglage tectonique

La plupart des carbonatites et des complexes alcalino-carbonatites sont mis en place dans le continen- tal (88% cratonique, 10.5% non cratoniques) (Fig.2) dans les roches archéennes et protérozoïques, ou dans les roches phanérozoïques sous-jacentes à un socle précambrien.

Fig.2 : Principales occurrences mondiales de carbonatites et de phénomènes liés à la carbonatite dans le monde. De Liu, Y., &Hou, Z. (2017).

Les carbonatites se forment dans des milieux tectoniques extensionnels, le long de grandes tendances linéaires liées à des zones de fracture intra-plaques à grande échelle, en association avec des caractéristiques de bombage (arc crustal), ou en relation avec des fenêtres de dalle dans des plaques de subduction. Le lien entre ces caractéristiques tectoniques et l’activité magmatique intense signifie que de nombreuses car-bonatites sont également liées temporellement et spatialement aux grandes provinces ignées. Les carbonatites en milieu orogénique sont parfois appelées post-collisionnelles (Chakmouradian et al. 2008). C’est un terme malheureux car les carbonatites que l’on trouve dans les milieux orogéniques peuvent avoir été mises en place avant une transition des régimes tectoniques extensionnels aux régimes tectoniques de compression, ou pendant la relaxation et l’effondrement ex-tensionnels post-orogéniques avant l’apogée métamorphique dynamo-thermique.
Les carbonatites sont identifiées dans trois régions insulaires océaniques : (1) Les îles Canaries; (2) Les îles du Cap-Vert et (3) Les îles Kerguelen ; toutes situées sur le continent africain. Cependant, il est possible que ces îles soient sous-tendues par des restes de lithosphère continentale échoués lors de la dérive de la plaque africaine.

Roches ignées associées à la carbonatite

Presque toutes les carbonatites sont associées à des complexes alcalins. Dans le monde, seulement 24% des roches carbonatites ne font pas partie de complexes alcalino-carbonatites. Il existe un nombre d’associations distinctes de roches carboatite-silicate qui comprennent la mélilitite-sövite, la néphélinite-sövite, la pyroxénite-sövite et les ultrabasites riches en olivine – carbonatite dolomitique. Les relations entre les carbonatites et leurs roches silicatées associées sont complexes et ne sont pas encore complètement comprises. Que les deux fondus aient été générés à partir du même magma parental, ou que les deux aient été générés indépendamment l’un de l’autre, reste l’un des problèmes fondamentaux de la pétrogénèse de la carbonatite.

Phoscorites : Les phoscorites sont des roches de magnétite, d’olivine, d’apatite généralement associées à des carbonatites (Le Maitre 2002) et des roches ultramafiques de complexes alcalino-carbonatites. Dans certains cas, il existe une gradation entre les roches ultramafiques et la phoscorite.
La définition présentée par Le Maitre (2002) :  » une roche de magnétite, d’olivine, d’apatite habituellement associée aux carbonatites « , est très restrictive car l’olivine rétrograde couramment en pyroxène, amphibole et serpentine. Une définition et une classification beaucoup plus larges des phoscorites sont ancrées dans la littérature russe (par exemple Yegorov 1993; Krasnova et al. 2004) et propose que la phoscorite soit redéfinie comme une  » roche ultramafique plutonique comprenant de la magnétite, de l’apatite et l’un des silicates, de la forstérite, du diopside ou de la phlogopite ». Le terme phoscorite est un mnémonique, dérivé à l’origine du nom de la Phosphate Development Corporation et fait référence aux roches magnétite-olivine-apatite saillant le corps de carbonatite de Loolekop du Complexe de Phalaborwa, en Afrique du Sud.

Métasomatisme alcalin

La plupart des carbonatites intrusives, des complexes alcalino-carbonatites et de nombreuses intrusions alcalines agpaitiques et miaskitiques sont entourées de roches de campagne affectées par un métasomatisme lié à l’intrusion. Le métasomatisme est défini comme: « procédé à l’état solide par lequel la composition chimique d’une roche est modifiée de manière généralisée et qui implique l’introduction et / ou l’élimination de composants chimiques résultant de l’interaction de la roche avec des fluides ».
Le métasomatisme alcalin qui caractérise la plupart des complexes de carbonatites est connu sous le nom de métasomatisme de type fenitisation ou fenitisation. Le méta-somatisme de type fenitisation consiste généralement en une désilication accompagnée de l’addition de Na, K, Fe3+, ± Ca, ± Al à la roche hôte qui entoure les carbonatites ou les complexes carbonatites-alcalins. D’autres éléments qui peuvent être introduits dans la roche de campagne par métasomatisme de type fenitisation sont Ba, Nb, Sr, Sc, Rb, Zn, V et dans certains cas REE et Nb. Un tel métasomatisme peut se manifester par le développement de Na- et K-amphiboles, d’aégirine-augite, de feldspath K, d’albite, de perthite, de mésoperthite, d’an-tiperthite, de néphéline, de mica brun pâle et d’albite (Fig.3).

Fig.3: Représentation schématique de l’interaction de type fenitisation bi-métasomatique entre la fonte de carbonatite et les fluides associés avec la roche de campagne. La direction de migration des éléments est indiquée par des flèches. Les minéraux couramment observés dans les roches de campagne affectées par un métasomatisme de type fenitisation sont répertoriés. De Simandl, G. J., &Paradis, S. (2018).

L’étendue et l’intensité du métasomatisme lié aux carbonatites et aux complexes alcalino-carbonatites dépendent d’un grand nombre de paramètres, notamment (1) La composition chimique, la température et le pH des fluides; (2) La composition chimique et minéralogique de la roche de campagne (protolithe); (3) La perméabilité et la porosité de la roche de campagne; (4) Gradient de température entre la source des fluides et la roche de campagne, (5) Rapport fluide / roche; (6) Durée du mouvement du fluide.

Morphologie et géométrie des complexes alcalino-carbonatites

Les carbonatites peuvent se présenter sous forme de volcanites ou de corps intrusifs. La phase carbonatite arrive généralement tardivement dans une série intrusive, après les magmas de silicate alcalin. Cependant, de nombreuses carbonatites n’ont pas de roches silicatées associées. Les composés de carbonatite sont généralement 2, et sont composites, avec de multiples intrusions de magma de silicate et de carbonatite. Les carbonatites intrusives exposées comprennent de petits bouchons, des feuilles de cône et des digues annulaires occasionnelles. Des digues planaires ou des essaims de digues de roches silicatées et de carbonatites coupent généralement l’ensemble du complexe intrusif.
Le modèle de carbonatite classique (Fig.4 a) proposé par Garson et Smith (1958) a été popularisé par Heinrich (1980) et Bowden (1985) et est toujours utilisé. Ce modèle s’adapte à de nombreux complexes de complexes de carbonatites d’Afrique de l’Est, et ailleurs :
Dans une séquence typique, des bouchons d’ijolite précoce peu profonds et/ou de syénite néphéline sont suivis par des carbonatites qui coupent le complexe de silicate antérieur. Les sovites (généralement avec plus de 90% de calcite) sont le type de carbonatite le plus courant dans ces complexes et peuvent représenter la seule carbonatite à une localité. Les manifestations ultérieures de l’activité ignée dans de nombreux complexes sont la mise en place de digues ou de feuilles coniques de carbonatites riches en fer, appelées collectivement ferrocarbonatite. Une caractéristique presque universelle des complexes de carbonatite est la présence d’une auréole métasomatique distinctive dans laquelle les roches de paroi (le plus souvent des gneiss quartzo-feldspathiques) ont été converties en roches riches en aégirine et en amphiboles alcalins, et dans certains cas en roches riches en feldspath K. Les roches métasomatiques sont communément appelées fénites.

Fig.4 : Morphologie des complexes de carbonatite telle que proposée par : (a) Garson et Smith (1958); (b) Le Bas (1987); et (c) Légèrement modifié par Sage et Wat-kinson (1991) pour montrer la nature convexe et concave des digues annulaires et des feuilles coniques, respectivement. De Simandl, G. J., &Paradis, S. (2018).

Modèles plus récents (Fig.4 b-c) ont été proposés par Le Bas (1977, 1987) et Sage et Watkinson (1991). Le modèle de Le Bas (1987) montre bien les relations d’âge entre les unités lithologiques et met en évidence les surimpressions de type fenitisation. Le modèle produit par Sage et Watkinson (1991) affiche un nombre limité de par rapport au modèle Garson et Smith (1958); cependant, il décrit mieux la relation entre l’édifice volcanique et le faciès des cratères. Aucun modèle ne représente toutes les associations de roches possibles rencontrées dans les complexes de carbonatite alcaline ou n’est universellement applicable. À des niveaux d’érosion profonds, les carbonatites sont généralement associées spatialement aux roches ultramafiques. À des niveaux modérés, elles sont associées spatialement aux pyroxénites et aux jacupirangites, et aux ijolites et aux syénites néphéliniques à des niveaux progressivement moins profonds (Garson et Smith, 1958).

Ferrocarbonatite (calcite, ankerite, siderite, iron oxides and iron silicates) from the Ice River Complex of British Columbia. From James St. John

Calciocarbonatite (sövite) from Hot Spring County, central Arkansas, USA. From James St. John

Calciocarbonatite dikes from Firesand River Carbonatite Complex, Wawa Lake East roadcut, Ontario, Canada. From James St. John

Calciocarbonatite (sövite), dominée par la calcite minérale (blanchâtre à grisâtre très clair) et la magnétite sombre. Magnet Cove Carbonatite, Arkansas, États-Unis. De James St. John

Calcite-carbonatite (sövite) de la localité type. Søve, Complexe de Fens, Norvège. De Sand Atlas

Phoscorite avec magnétite (noire) et albite (blanche). kovdor, Russie. De l’École des Mines de Saint-Étienne

Bibliographie

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•Krasnova, N. I., Petrov, T. G., Balaganskaya, E. G., Garcia, D., Moutte, J., Zai-tsev, A. N., &Wall, F. (2004). Introduction aux phoscorites : occurrence, composition, nomenclature et pétrogénèse. Dans les phoscorites et les carbonatites du manteau à la mine : l’exemple clé de la province alcaline de Kola (Vol. 10, p. 45 à 74). Société minéralogique de Londres.
•Liu, Y., &Hou, Z. (2017). Une synthèse de styles de minéralisation avec un modèle génétique intégré de dépôts d’ERE hébergés par la carbonatite et la syénite dans la ceinture métallogénique de l’ERE du Cénozoïque Mian-ning-Dechang, sur le Plateau tibétain oriental, dans le sud-ouest de la Chine. Journal des Sciences de la Terre asiatiques, 137, 35-79.Mitchell, R. H. (2005). Carbonatites et carbonatites et carbonatites. Le minéralogiste ca-nadien, 43 (6), 2049-2068.