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Les roches diamantifères : kimberlite, lamproïte et komatiite

Dossier - Les diamants, rares et envoûtants
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Le diamant, qui nous est offert par la Terre, fascine l'Homme depuis des milliers d’années. Sa formule chimique est aussi simple que possible, pourtant cette pierre transparente, colorée et mythique est pourvue de propriétés exceptionnelles.

  
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Zoom sur les trois roches diamantifères que sont la kimberlite, la lamproïte et la komatiite.

Les roches diamantifères sont la kimberlite, la lamproïte et la komatiite. Les diatrèmes sont les gisements typiques des diamants. Leur exploitation aboutit à des puits caractéristiques (ici à Oudatchnaïa, en Russie). © Tjrn, CC by 3.0

La kimberlite

La kimberlite est une roche ignée ultrabasique riche en éléments volatils et que l'on trouve, sous forme de brèches, dans des cheminées volcaniques verticales (les pipes), les dykes et les filons-couches volcaniques. Compacte, bleue ou grise, elle comporte :

C'est une lave riche en magnésium, potassium, H2O et carbonates. C'est une formation HP-HT qui provient du manteau et ce sont les seuls témoins de ces niveaux profonds qui nous soient connus.

L'éruption kimberlitique

Elle projette de la roche et des cendres à la surface, formant un anneau de tuf autour de l'ouverture du volcan. Les géologues cherchent la cheminée pour exploiter le gisement primaire.

Section transversale de la pipe de Kimberley. © DR

Le cratère est composé de deux types de kimberlite :

  • la kimberlite pyroclastique, constituée de tufs déposés à la surface ;
  • la kimberlite épiclastique, constituée de kimberlite pyroclastique érodée déposée à l'ouverture de la cheminée.

Ces sédiments contiennent souvent des xénolites formées de roche de couverture superficielle, de la végétation (par exemple du bois) et des organismes terrestres (par exemple des microfossiles) qui existaient lors du dépôt des sédiments et qui sont retombés dans le cratère.

Pendant l'érosion, les débris kimberlitiques sont transportés, ensuite déposés, ce qui entraîne la formation d'une traînée de minéraux indicateurs : le pyrope, le diopside chromique, la picro-ilménite, la chromite, l'olivine et le diamant. C'est cette traînée que cherchent à suivre les géologues. Les kimberlites sont situées dans des cratons archéens.

Cheminée kimberlitique. © Tiré de Kjarsgaard ; modifié d’après Mitchell (1986)

Le diatrème

Le diatrème se forme lors d'une éruption explosive dans la partie inférieure de la zone de racines. Sa dimension et sa forme dépendent de la composition de la kimberlite et des propriétés physiques de la roche encaissante, facteurs qui varient pendant l'ascension. En général, le diatrème constitue la partie la plus épaisse de la cheminée et repose sous le cratère. Il mesure généralement plus d'un kilomètre, a des parois très abruptes et la forme d'une carotte. Le diatrème contient des quantités de fragments de roche encaissante (xénolites), des roches mantelliques de plus grande profondeur, ainsi que de la kimberlite (autolites).

La zone de racines

C'est avant et pendant l'éruption que se forme la zone de racines par cristallisation du magma sous le diatrème. La kimberlite qui y repose, appelée kimberlite hypabyssale, présente des textures ignées cristallines et contient des quantités variables de xénolites, ainsi que des diamants.

Coupe montrant les régions. © Kjarsgaard, modifié d’après Mitchell

Le dyke

Le dyke, généralement tabulaire et étroit, est composé de kimberlite hypabyssale et provient de la racine. Pendant sa formation, il recoupe la roche encaissante. Il contient des xénolites ainsi que des diamants.

Jwaneng kimberlite Botswana. © DR

Quelques gisements sont issus d'autres laves : des lamproïtes (Australie) ou des komatiites (Guyane).

La lamproïte

Roche magmatique effusive alcaline particulièrement riche en potassium, avec sanidine, leucite, phlogopite. Le système de classification des lamproïtes décrit par Mitchell et Bergman (1991) est recommandé par l'IUGS. La nomenclature a été revue. Les lamproïtes suivent une classification basée sur le nom du minéral dominant (phlogopite, richtérite, olivine, diopside, sanidine et leucite). La complexité des critères nécessaires pour définir les lamproïtes est le résultat des conditions de leur genèse :

  • nature des régions mantelliques ;
  • profondeur et l'étendue de la fusion partielle ;
  • forte différenciation.

Elles sont caractérisées par la présence de :

  • phénocristaux de phlogopite titanifère pauvre en alumine ;
  • tétraferriphlogopite titanifère pœcilitique. (TiO2 : 5 - 10 % poids) ;
  • richtérite potassique titanifère ;
  • olivine variété forstérite ;
  • diopside pauvre en aluminium et en sodium ;
  • leucite riche en fer déficiente en sodium et aluminium ;
  • sanidine riche en fer.

Le minéral dominant avec 2 ou 3 autres est suffisant pour déterminer le nom pétrographique de lamproïte.

Les phases minérales mineures sont :

  • pridérite ;
  • wadéite ;
  • apatite ;
  • pérovskite ;
  • magnésio-chromite ;
  • magnésio-chromite titanifère ;
  • titano-magnétite magnésienne.

Les minéraux incompatibles sont :

  • plagioclase primaire ;
  • mélilite ;
  • monticellite ;
  • kalsilite ;
  • néphéline ;
  • feldspath alcalin riche en sodium ;
  • sodalite ;
  • noséane ;
  • hauyne ;
  • grenat porteur de zirconium ou de titane.

Caractéristiques chimiques :

  • ultrapotassiques : K2O / Na2O >3 en mole ;
  • hyperalcalines : (K2O +Na2O)/ Al2O3 >1 en mole ;
  • hyperpotassiques : K2O / Al2O3 souvent >1 en mole.

Composés principaux du dyke de Argyle Mine (Data Jacques et al. 1989) :

  • SiO2 : 44.0
  • TiO2 : 3.40
  • Al2O : 35.29
  • FeO : 8.02
  • MnO : 0.14
  • MgO : 19.7
  • CaO : 5.27
  • Na2O : 0.16
  • K2O : 3.92
  • P2O : 51.25
  • H2O : 4.83
  • CO : 22.69

Cette lamproïte basique ou ultrabasique avec un MgO de 16 à 23 % et K2O/Na2O > 3 contient beaucoup de nickel, de chrome et de Rb, Sr, Ba, Ti, Zr, Nb, Pb, Th, U et quelques terres rares.

Le magma semble originaire de la lithosphère subcontinentale avec fusions partielles et enrichissement géochimique. Les datations donnent 1.178 Gans pour l'éruption et un âge de 1.580 Gans pour la formation des diamants. Ainsi les diamants seraient formés 400 Ma avant que le magma ne les entraîne !

La morphologie du diatrème d'Argyle laisse supposer qu'il s'est formé au cours de plusieurs éruptions phréatomagmatiques causées par la rencontre du magma et les eaux peu profondes du sous-sol. La majorité des diatrèmes ne contiennent cependant pas de diamants. Beaucoup ont des lacs ou des cônes de tufs et d'autres sont érodés.

La komatiite

Avant les découvertes en Guyane, les géologues pensaient que les pipes se mettaient en place dans les boucliers d'âge précambrien dans des terrains de plus de deux milliards et demi d'années, comme on vient de le voir. La Guyane posait problème. Ces diamants détritiques ne sont pas accompagnés par les autres minéraux caractéristiques des kimberlites et lamproïtes. Avec cette découverte, c'est l'étude des talc-schistes de type komatiite qui est lancée...

Komatiite © http://www.lescorpiondechair.ifrance.com

La komatiite est un magma, sec et chaud, engendré au cœur de panaches mantelliques à des profondeurs d'au moins 250 kilomètres, en milieu sec. Lorsqu'il débouche en surface, le magma est une émulsion riche en fluides et il doit remonter rapidement pour éviter la graphitisation.

Deux indices indiquent que ces magmas ont traversé une zone de subduction riche en fluides :

  • des komatiites métamorphiques, fréquentes dans la ceinture de roches vertes de la Guyane ;
  • la forme des diamants et leur composition éclogitique.

Ces magmas naissent au cœur d'un panache mantellique. En remontant lentement dans un premier temps, ils traversent la plaque océanique qui s'enfonce. Ceci a deux conséquences :

  • le magma entraîne des éclogites et des péridotites ;
  • le magma se charge en eau, ce qui accélère sa remontée jusqu'à Mach 2.