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Les secrets chimiques des gisements de métaux

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De façon surprenante, la formation des gisements de métaux (cuivre, or et certains métaux stratégiques, notamment) n'est pas encore totalement comprise. Compte tenu du contexte économique actuel, une meilleure connaissance de la genèse des gisements devient essentielle pour l'exploration et l'exploitation de ces ressources. Des chercheurs français et indiens ont utilisé la chimie théorique pour découvrir un élément nouveau.

Le lac de lave du Nyiragongo. Les métaux, dans les roches en fusion qui se refroidissent, peuvent se concentrer en certains endroits. Se forme alors un minerai, apprécié des humains. Mais les mécanismes à l'œuvre sont encore loin d'être compris. © Stromboli online, J. Alean, R. Carniel, M. Fulle

Pour qu'un gisement métallique se forme, il faut que la teneur en métal soit multipliée au moins mille fois par rapport à la teneur initiale du magma dont il peut être issu. Or, jusqu'à présent, les recherches attribuaient cet enrichissement en métal aux circulations d'eau (de 400 à 500 °C) qui concentrent les métaux par lessivage à la fin de la mise en place et du refroidissement du magma.

Pourtant des analyses d'inclusions fluides et magmatiques (ces petites cavités présentes dans les minéraux qui ont piégé les fluides ou les magmas lors de leur cristallisation), ainsi que des fumerolles volcaniques, montrent que des quantités importantes de métaux sont déjà présentes lors du stade magmatique, c'est-à-dire à plus de 500 °C.

En prenant le cuivre comme cas d'école, les chercheurs de GeoRessources (CNRS, université de Lorraine, CREGU), en collaboration avec le département de chimie de l'Institut de technologie indienne à Kharagpur, ont voulu savoir pourquoi les fluides volcaniques pouvaient s'enrichir en métaux en ayant recours à la chimie théorique. La méthode DFT (Density Functional Theory) décrit l'environnement électronique des éléments chimiques et permet ainsi de déterminer des paramètres caractérisant leur réactivité. Elle peut ainsi identifier les affinités des différents composants (le cuivre, par exemple), et donc de prévoir les tendances d'évolution des réactions.

La mine de cuivre au nord d'Antofagasta, au Chili. © J.-L. Vigneresse

Les métaux seraient piégés dans les gaz

Les auteurs de cette étude ont donc calculé ces paramètres pour des assemblages complexes d'éléments :

  • les oxydes composant les magmas silicatés ;
  • les espèces présentes dans une phase vapeur magmatique riche en eau ;
  • un certain nombre de composés du cuivre existant dans la nature.

Ces paramètres ont ensuite été cartographiés dans un référentiel dureté-électrophilicité-polarisabilité pour en tracer des cartes de domaines de stabilité des magmas, de la phase vapeur magmatique et des composés cuivrés. La superposition de ces cartes permet de voir où les composés cuivrés vont préférentiellement aller, dans le magma ou dans la phase gazeuse.

Les résultats, publiés dans la revue Lithos, indiquent que c'est dans la phase gazeuse, si elle est un tant soit peu enrichie en soufre, que le cuivre sera piégé puis transporté sous forme de sulfure, d'oxyde ou de chlorure. Pour le cuivre, c'est donc la phase gazeuse à haute température en contexte magmatique qui est fondamentale pour former un gisement.

Valable pour le cuivre, cette méthode peut s'appliquer à tous les métaux. Et grâce à la rencontre de la chimie et de la géologie, elle est utile pour prédire le comportement des métaux en tenant compte de l'ensemble du système Terre.