Mots clés : carbonatite, Oldoinyo Lengai, Kaisersthul, magmatisme alcalin, magmatisme hyper-alcalin, rift, magma carbonaté, métasomatisme, immiscibilité, fusion partielle

Qu'est-ce qu'une carbonatite ?

Gilles Chazot

Université de Clermont-Ferrand

Pierre Thomas

ENS-Lyon

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

15/07/2003

Résumé

Définition et origine des magmas carbonatitiques.


Les carbonatites à l'affleurement

Les carbonatites sont des roches magmatiques très particulières et relativement rares. Les affleurements de carbonatites sont au nombre d'une centaine dans le monde. Un seul volcan actif émet actuellement des carbonatites : le Lengaï, en Tanzanie, dont les laves sont constituées de carbonate de sodium (voir le site de Dominique Decobecq, à propos du Lengaï).

Figure 1. Le Lengaï dans les années 80.


Il existe de rares enclaves dans le Massif Central (trouvées par notre collègue Hervé Bertrand). En Alsace, dans le Kaiserstuhl, volcan complexe miocène du Bade-Wurtemberg (partie allemande du graben alsacien, les carbonatites font partie des restes d'un dôme intrusif de carbonatites (voir le Kaiserstuhl sur la carte géologique au 1/50 000 de Colmar Artolsheim, n°carte 342, disponible auprès du BRGM).

La quasi-totalité des carbonatites se trouve en domaine continental, souvent associée à des zones de rifts et à du magmatisme alcalin ou hyper-alcalin.

La composition des carbonatites

Les carbonatites sont principalement constituées de carbonates de calcium (calcite), de calcium et de magnésium (dolomite) ou de fer et de magnésium (sidéro-magnésité). Seules les laves du Lengai sont constituées de carbonate de sodium. Ces carbonates sont accompagnés de minéraux accessoires : des silicates de type mica brun (phlogopites) ou des phosphates (apatites). Elles sont assez souvent riches en terres rares (niobium, tantale ..) et peuvent servir de minerais pour ces métaux rares.

Tableau 1. Analyses chimiques des carbonatites d'Ol Doinyo Lengaï, Tanzanie. (en pourcentage d'oxydes) Source : site de D. Decobecq

SiO2

0,16

P2O5

0,85

TiO2

0,02

CO2

31,55

Fe2O3

0,28

Cl

3,40

MnO

0,38

F

2,5

MgO

0,38

SO3

3,72

CaO

14,02

SrO

1,42

Na2O

32,22

BaO

1,66

K2O

8,38

H2O

0,56

   

Total

101,50


Une origine discutée

Les carbonatites ne sont en aucun cas des calcaires sédimentaires fondus ou remobilisés par du volcanisme, ou ayant fortement contaminé un magma normal. Elles sont obtenues par cristallisation d'un magma carbonaté d'origine mantellique. Même si leur genèse est encore très mal comprise, globalement deux grandes hypothèses sont avancées, qui peuvent être correctes toutes les deux, suivant les cas :

  • Les carbonatites peuvent être générées dans le manteau, comme les magmas silicatés, par fusion partielle d'un manteau (à très faible degré de fusion, ce qui produit un magma très riche en éléments incompatibles et volatils). Le manteau d'origine ayant été préalablement enrichi en CO2 et en calcium par des circulations de fluides (ce qu'on appelle en jargon géologique du métasomatisme), cette fusion pourrait alors engendrer directement un magma carbonaté comme le montrent les études expérimentales. Ce magma peut alors remonter vers la surface et donner naissance à des carbonatites.
  • Les carbonatites pourraient être générées par immiscibilité à partir d'un magma silicaté. Le principe est d'avoir un magma riche en CO2 et en CaO (souvent un magma sous-saturé en silice) qui subit un processus de cristallisation fractionnée dans une chambre magmatique au sein de la croûte. Ce magma peut, à un moment donné, se séparer en deux liquides distincts, d'une part un magma silicaté moins riche en CaO et en CO2, et d'autre part un magma carbonaté. Ces deux magmas ne peuvent alors plus se mélanger, vont se séparer physiquement et avoir des trajets différents dans la croûte, pour donner naissance à des roches volcaniques ou plutoniques de composition silicatée ou carbonatée. Cette hypothèse est en bon accord avec le fait que les carbonatites se rencontrent souvent en association avec des roches de type phonolites ou syénites.

Il est possible que certaines carbonatites soient formées selon le premier modèle (très faible degré de fusion partielle d'un manteau enrichi en CO2 et en CaO) et d'autres selon le second modèle (différenciation et démixion entre phases riches en éléments volatils (carbonatés) et phases silicatées), les deux modèles n'étant d'ailleurs pas incompatibles... Mais le débat est toujours d'actualité et beaucoup d'études sont en cours pour essayer de mieux comprendre la formation de ces roches particulières.

Bibliographie

Maurice Krafft et Jörg Keller, Temperature Measurements in Carbonatite Lava Lakes and Flows from Oldoinyo Lengai, Tanzania ., Science, 14 july 1989, vol. 245, pp 168-170. DOI: 10.1126/science.245.4914.168

Jörg Keller et Maurice Krafft, Effusive natrocarbonatite activity of Oldoinyo Lengai ., June 1988, bulletin Volcanologique (1990) , n° 52, pp 629-645.

Mots clés : carbonatite, Oldoinyo Lengai, Kaisersthul, magmatisme alcalin, magmatisme hyper-alcalin, rift, magma carbonaté, métasomatisme, immiscibilité, fusion partielle