Les pegmatites du Limousin : des minéraux et des métaux rares, une mise en place plus complexe qu'imaginée et des modèles pour aider à comprendre la genèse des gisements des métaux “ du futur”

Cette “image de la semaine” est la deuxième de deux articles consacrés aux pegmatites du Limousin, plus précisément des Monts d'Ambazac. Cette semaine est consacrée aux pegmatites “extraordinaires”, montrant des structures et des minéraux rares, modèles pour comprendre la genèse des gisements des métaux dits du futur (béryllium, lithium, tantale, niobium…) alors que la première semaine montrait, elle, des pegmatites “ordinaires” (Les pegmatites du Limousin : d'anciens gisements exploités pour l'industrie électrique, les porcelaines et autres céramiques, la verrerie… et des curiosités géologiques). Ces deux articles n'ont pu être écrits que grâce à la Société géologique du Limousin et à son président, qui m'a piloté sur “ses” terres en mars 2019. Qu'il en soit remercié. La majorité des photos présentées ici ont été prises dans des mines abandonnées d'accès malaisé voire dangereux pour un public non averti. Pour préserver ce qui reste de ce patrimoine naturel, aucun prélèvement ou coup de marteau destructeur n'ont été faits ou donnés dans ces galeries lors de cette visite. Les échantillons photographiés ont été ramassés dans des vieux déblais en cours d'altération à l'extérieur des mines. Pour des raisons de sécurité et pour la préservation du patrimoine, les affleurements montrés ne seront pas précisément localisés.

Source - © 2019 Pierre Thomas

Figure 1. Cristaux verts de béryl, dont l'un montre sa belle forme de prisme à base hexagonale, inclus dans des cristaux roses de feldspath potassique, vers Ambazac (Haute-Vienne)

Le béryl est un aluminosilicate de béryllium (Be₃Al₂Si₆O₁₈), cyclosilicate du système hexagonal. Le cristal automorphe de béryl de cet échantillon mesure 5 mm de “diamètre” pour 25 mm de long. Les béryls non transparents comme ici sont dits “pierreux”. Les béryls transparents et colorés par des impuretés sont des pierres fines ou précieuses, et, suivant leur couleur, sont appelés émeraude, aigue-marine… (Cristaux d'émeraude de Colombie). Les béryls, dont la majorité provient de pegmatites, constituent le principal minerai de béryllium. Ce sont donc beaucoup plus que de simples curiosités minéralogiques.

Cette photo montre une partie d'un échantillon de pegmatite vu avec un plus grand champ à la figure 3, ci-dessous.

Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 2. Cristal de tantalite inclus dans le même échantillon que le béryl précédent Ce cristal (noir, au centre de la photo) mesure 8 mm dans sa plus grande dimension. La tantalite cristallise dans le système orthorhombique. Le nom de tantalite désigne en fait une solution solide de tantalate ou de niobiate de fer ou de manganèse : (Ta,Nb)2O6(Fe,Mn). Cette famille de minéraux est parfois connue sous le nom de coltan, abréviation de colombotantalite (le niobium s'appelait autrefois le colombium). La tantalite, dont la majorité provient de pegmatites (ou de leur produit de démantèlement), constitue le principal minerai de tantale et de niobium. La tantalite est donc beaucoup plus qu'une simple curiosité minéralogique.

Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 3. Vue plus globale de l'échantillon de pegmatite d'où proviennent le béryl et la tantalite des photos précédentes La partie supérieure gauche de l'échantillon est constituée de pegmatite, la partie inférieure droite de granite “ordinaire” dont les biotites sont verdâtres, car chloritisées. Cet échantillon provient de déblais d'une ancienne exploitation de feldspath située dans le secteur 1 de la figure 6.

Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 4. Beau béryl pierreux ramassé en 1972 dans des travaux d'une tranchée de route traversant le secteur 1 de la figure 6, vers Ambazac (Haute-Vienne)

La semaine dernière, nous avons vu les pegmatites “ordinaires” des Monts d'Ambazac en Limousin (Haute-Vienne) (cf. Les pegmatites du Limousin : d'anciens gisements exploités pour l'industrie électrique, les porcelaines et autres céramiques, la verrerie… et des curiosités géologiques). Les pegmatites ont été (et sont encore dans de nombreux pays) des sources de gemmes (émeraude, topaze…), de quartz, de feldspath (utilisé pour les céramiques), de kaolin (pour les céramiques, dont la porcelaine), de certains minerais utilisés depuis longtemps comme la cassitérite (minerai d'étain, SnO₂)… Mais depuis quelques décennies, l'intérêt pour ces roches a augmenté, car ce sont des sources majeures de métaux dits « technologiques et stratégiques », métaux indispensables à de nombreux usages modernes. Parmi ces métaux, citons le lithium (Li) nécessaire aux batteries et piles, le tantale (Ta) nécessaire dans tout ce qui contient de la microélectronique, le niobium (Nb) utilisé entre autres dans la supraconductivité, certaines terres rares indispensables dans de très nombreuses technologies, le béryllium (Be) utilisé dans de nombreux alliages, dans l'industrie électrique, dans l'électronique… Les pegmatites ont donc cessé d'être de simples curiosités géologiques, et sont devenues des objets géologico-économiques majeurs. De très nombreuses études sont donc entreprises pour comprendre la genèse de ces magmas particuliers, l'origine de leur grande variété, la complexité de leur mise en place et de leur évolution interne dans leurs filons, l'origine des métaux qu'elles concentrent…

Pour résumer brièvement, on peut dire que les magmas pegmatitiques correspondent aux derniers liquides résiduels de la cristallisation des magmas granitiques. Ils concentrent les éléments dits incompatibles^[1]

, que ce soient des métaux comme le béryllium, le niobium, le tantale, le lithium… mais aussi des non-métaux comme le bore, le fluor… La nature, la quantité et la localisation des éléments incompatibles concentrés dans tel ou tel gisement dépend :

Les variations de ces paramètres et de leur importance relative génèrent la complexité des pegmatites. Les pegmatites sont classées en fonction de leurs éléments alcalins majeurs (K, Na ou Li), de leurs éléments traces… Les pegmatites des Monts d'Ambazac, par exemple, vont d'un pôle potassique, à un pôle sodolithique en passant par une chimie sodipotassique. Vis-à-vis des éléments traces, ces pegmatites du Limousin font partie des pegmatites dites LCT (riches en Lithium, Césium et Tantale). Le détail de ces études pointues et loin d'être achevées n'a pas sa place dans cette image de la semaine qui n'est pas un traité sur les pegmatites. Mais une bonne synthèse sur les pegmatites, sur leur classification, et en particulier sur les pegmatites du Limousin, se trouve dans la thèse de Sarah Deveaud (2015), thèse en accès libre sur le web, Caractérisation de la mise en place des champs de pegmatites à éléments rares de type LCT : exemples représentatifs de la chaîne varisque. Un rapport de l'US Geological Survey (en anglais), également en libre accès peut être consulté sur Mineral-Deposit Model for Lithium-Cesium-Tantalum Pegmatites.

À défaut d'avoir aujourd'hui un intérêt économique dans les conditions actuelles du marché, les pegmatites du Limousin constituent des modèles pour essayer de faire découvrir et de mieux appréhender le « phénomène pegmatite ».

Source - © 2015 Sarah Deveaud

Figure 5. Les métaux incompatibles

Figure montrant le tableau périodique de Mendeleïev où sont mis en valeur les éléments métalliques incompatibles concentrés dans de nombreuses pegmatites et qui sont (sauf l'étain, Sn) des métaux indispensables dans les nouvelles technologies (éléments cerclés de rouge ou de bleu). Les éléments dits HFSE (cerclé de rouge) forment des ions de faible rayon et de forte charge ; les éléments dits LILE ont un fort rayon ionique et une faible charge. À côte des métaux incompatibles, il existe aussi des non-métaux incompatibles, comme le bore qu'on retrouve dans les tourmalines…

On peut classer les pegmatites en fonction de leurs éléments incompatibles^[1].

Après celle de la semaine dernière (cf. Les pegmatites du Limousin : d'anciens gisements exploités pour l'industrie électrique, les porcelaines et autres céramiques, la verrerie… et des curiosités géologiques), nous allons donc faire une deuxième “promenade géologique” au Nord de Limoges pour voir des minéraux contenant certains de ces métaux rares, ainsi que des exemples de structures internes des filons de pegmatites montrant la complexité de leur mise en place. Les quatre premières photographies (figures 1 à 4) viennent du secteur 1 de la figure 6, ci-dessous. Ce sont des échantillons ramassés dans des déblais d'anciennes exploitations de feldspath qui exploitaient des pegmatites sodipotassiques à béryl ou dans d'anciens travaux routiers. Les 3 suivantes ont été prises dans une ancienne galerie du secteur 2 qui exploitait (pour le quartz) un filon de pegmatite potassique à béryl. Les 5 suivantes ont été prises dans des galeries exploitant dans le secteur 3 un filon de pegmatite sodolithique.

Le bérylium n'a jamais été valorisé en Limousin. On dit même que la route nationale 20, réaménagée au début du XX^e siècle, aurait été empierrée localement avec des béryls venant d'anciennes carrières. Les pegmatites lithinifères dites de Chèdeville-La Chaise étaient, elles, exploitées pour la verrerie par Saint Gobain.

Cette série de photographies ciblées sur les minéraux contenant des métaux rares (béryl, lépidolite, pétalite) sera accompagnée par des cartes géologiques et géochimiques.

Source - © 2019 BRGM – IGN / Géoportail, modifié

Figure 6. Localisation (approximative) des affleurements et échantillons à béryl, tantalite et lépidolite

Les photos 1 à 4 et 22 à 25 proviennent du secteur 1, les photos 7 à 9 proviennent du secteur 2, et les photos 11 à 15 du secteur 3.

Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 7. Pegmatite à béryl, vers Ambazac (Haute-Vienne) Les cristaux de béryl, verts clairs, sont souvent inclus dans des feldspaths orangés. Ils sont souvent auréolés de biotites poussant à la limite béryl-feldspath. Une chauve-souris donne l'échelle (cf. figure 16 de la semaine dernière). On peut re-situer cette “poche” riche en béryl sur la figure 12 de l'article de la semaine précédente. Une tonne de béryl contient 50 kg de béryllium.

Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 8. Zoom arrière sur une pegmatite à béryl Les cristaux de béryl, verts clairs, sont souvent inclus dans des feldspaths orangés. Ils sont souvent auréolés de biotites poussant à la limite béryl-feldspath. Une chauve-souris et le marteau donnent l'échelle. On peut re-situer cette “poche” riche en béryl sur la figure 12 de l'article de la semaine précédente. Une tonne de béryl contient 50 kg de béryllium.

Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 9. Vue générale sur une pegmatite à béryl, vers Ambazac (Haute-Vienne) Les cristaux de béryl, verts clairs, sont souvent inclus dans des feldspaths orangés. Ils sont souvent auréolés de biotites poussant à la limite béryl-feldspath. Une chauve-souris et le marteau donnent l'échelle. On peut re-situer cette “poche” riche en béryl sur la figure 12 de l'article de la semaine précédente. Une tonne de béryl contient 50 kg de béryllium.

La carte géologique d'Ambazac au 1/50 000 (relevés effectués de 1967 à 1971, carte publiée en 1974) est accompagnée de cartes géochimiques du granite de Saint-Sylvestre (et de son annexe orientale de Saint-Goussaud). Ces données très détaillées, ainsi que la cartographie précise des filons ne sont pas dues à un amour particulier du BRGM des années 1970 pour les pegmatites, ni à une prospection poussée pour ces métaux technologiques qui n'étaient ni très utiles ni “stratégiques” il y a 50 ans. Ces études ont été faites par le BRGM et le CEA pour la recherche de l'uranium, ces leucogranites du Limousins étant abondamment parcourus de filons hydrothermaux variés et riches en uranium. Le Limousin fut la plus importante province uranifère de France qui exploita près de 40 mines de 1949 à 2001. À la fin des années 1970, le Limousin produisait environ 750 tonnes d'uranium par an (presque la moitié de la production française). L'étude des pegmatites du Limousin et de leurs métaux rares était donc un “sous-produit” de la recherche de l'uranium.

Source - © 1974 BRGM, modifié

Figure 10. Carte géochimique (extraite de la carte géologique Ambazac) montrant (1) le rapport K/Na des granites, (2) la teneur en béryllium de ces mêmes granites, et (3) la localisation des pegmatites à béryl

On considère généralement que le rapport K/Na représente le degré d'évolution du granite : plus ce rapport est bas (plus le granite est sodique), plus le granite est évolué. On pourrait discuter si ce caractère albitique (sodique) des granites est dû à une différenciation, ou à une mobilisation du sodium par des fluides (albitisation). Il y a un relatif parallélisme entre la teneur en béryllium et ce rapport K/Na des granites : plus le granite est évolué, plus il est riche en béryllium. La localisation des pegmatites à béryl est bien corrélée avec le rapport K/Na du granite hôte (1,8 < K/Na < 2,5) mais pas du tout corrélé avec les zones de granites riches en béryllium. Ce n'est pas là où le granite est riche en béryllium qu'on trouve les pegmatites à béryl. Dans la région de Bessines, il semble même y avoir anti-corrélation. On pourrait même se demander si la formation du magma pegmatitique à béryl n'a pas “débérylé” le granite environnant. Tout cela montre que la concentration et/ou la circulation des éléments incompatibles au sein d'un granite sont des phénomènes complexes.

Le rectangle bleu indique la partie du granite recouverte par la carte d'Ambazac. Le rectangle rouge correspond à la zone de la figure 6.

Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 11. Paroi d'une galerie montrant une belle pegmatite à lépidolite, mica mauve violacé de formule K(Li,Al)3(Si,Al)4O10(F,OH)2 Une tonne de lépidolite contient 36 kg de lithium. Les feldspaths (blancs) sont très probablement de l'albite. La lépidolite est, avec le spodumène, l'un des minerais de lithium, cf. Le lithium (Li) : aspects géologiques, économiques et industriels, hors lithium des salars, cf. Un exemple de salar : le salar d'Atacama, Chili.	Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 12. Paroi d'une galerie montrant une belle pegmatite à lépidolite et à gros feldspath (albite probable)
Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 13. Paroi d'une galerie montrant un bel agrégat de lépidolite	Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 14. Échantillon de pegmatite à lépidolite
Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 15. Paroi d'une galerie montrant une pegmatite à pétalite, minéral rosé lithinifère (LiAlSi4O10), vers Ambazac (Haute-Vienne) Il n'y a pas que la lépidolite comme minéral lithinifère dans les pegmatites. On peut aussi y trouver de la pétalite (LiAlSi4O10), minéral rosé qui forme ici un groupe de quatre beaux cristaux.

Source - © 1974 BRGM, modifié

Figure 16. Carte de la répartition du lithium dans le granite de Saint-Sylvestre

Cette répartition montre des similitudes mais aussi des différences avec la répartition du béryllium (figure 10). Le rectangle bleu indique la partie du granite recouverte par la carte d'Ambazac. Le rectangle rouge correspond à la zone de la figure 6.

Il n'y a pas que les minéraux qui sont intéressants dans les pegmatites du Limousin, il y a, parfois, la structure interne des pegmatites. En France, la structure interne des pegmatites n'est pas enseignée dans l'enseignement secondaire, ce qui est parfaitement normal, mais pas beaucoup plus les universités ce qui l'est peut-être moins, si on voulait que les géologues français gardent une certaine culture dans la géologie minière, et que la France ne soit pas totalement dépendante des connaissances et du bon vouloir de “puissances étrangères” pour son approvisionnement en métaux. La plupart des pegmatites déjà vues sur Planet-Terre étaient souvent sans structure particulière, mais l'une était franchement anisotrope, Croissance cristalline atypique dans un filon de pegmatite, Plage de la Mine, Piriac-sur-Mer (Loire Atlantique), bien que l'origine de cette structure soit assez simple.

Mais si on tape sur le web “internal structure pegmatite”, “layered aplite” ou “zoned pegmatite”…, on tombe sur des articles et des figures, comme la figure suivante, qui montrent que le problème de la structure interne des pegmatites et aplites est complexe, mais étudié, et que sa compréhension pourrait avoir des retombées économiques certaines.

Source - © 2014 David London

Figure 17. Exemple de figure de la littérature scientifique montrant la variété et la complexité de la structure interne des pegmatites et des aplites

David London, 2014. A petrologic assessment of internal zonation in granitic pegmatites, Lithos, 184-187, 74-104

Essayer d'expliquer la physique et la chimie de telles structurations internes aux corps aplo-pegmatitiques n'aurait pas sa place dans cet article, car cela ferait appel à de la dynamique des fluides plus ou moins miscibles, à la diffusion des ions dans les bains silicatés saturés en eau, à la nucléation en équilibre ou en déséquilibre des espèces cristallines…

Mais ne pas comprendre précisément ce qui se passe n'empêche pas d'admirer ces magnifiques affleurements encore visibles (pour combien de temps encore ?) dans les anciennes mines du Limousin, ni de penser à leur intérêt économique potentiel ! Nous vous montrons deux exemples de structures internes dans deux anciennes mines différentes, l'une dans la zone 3, et l'autre dans la zone 1 de la figure 6.

Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 18. Aplo-pegmatite litée à lépidolite, vue générale, vers Ambazac (Haute-Vienne) On voit des alternances de lits à grains fins et de lits à grains plus gros. Les feldspaths de ces lits à gros grains ont une “morphologie” triangulaire, avec très probablement croissance depuis la pointe (en bas) vers le haut. Ce phénomène de croissance orientée s'est au moins reproduit trois fois. L'origine d'un tel dispositif reste à préciser.

Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 19. Zoom sur cette aplo-pegmatite litée à lépidolite On voit des alternances de lits à grains fins et de lits à grains plus gros. Les feldspaths de ces lits à gros grains ont une “morphologie” triangulaire, avec très probablement croissance depuis la pointe (en bas) vers le haut. Ce phénomène de croissance orientée s'est au moins reproduit trois fois. L'origine d'un tel dispositif reste à préciser.

Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 20. Détail de cette aplo-pegmatite litée à lépidolite et feldspaths “triangulaires” On voit des alternances de lits à grains fins et de lits à grains plus gros. Les feldspaths de ces lits à gros grains ont une “morphologie” triangulaire, avec très probablement croissance depuis la pointe (en bas) vers le haut. Ce phénomène de croissance orientée s'est au moins reproduit trois fois. L'origine d'un tel dispositif reste à préciser.

Source - © 2012 Lima et Lebocey, modifié

Figure 21. Mise en situation du secteur d‘aplo-pegmatite litée des trois photos précédentes (cadre entouré de rouge) dans un schéma représentant l'ensemble du filon

La complexité de ce filon d'aplo-pegmatite, et donc des processus qui lui ont donné naissance, saute aux yeux. Comprendre ces processus ne pourra qu'aider à la recherche de nouveaux gisements de métaux rares.

AlexandreLima, JulienLebocey, 2012. Les pétalites de Chédeville, Ambazac (Haute-Vienne), Le Règne Minéral, 107, 23-27

Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 22. Aplites litées ayant “poussé” sous forme de dômes sur une pegmatite “normale” La convergence morphologique avec des stromatolithes est impressionnante et l'origine d'une telle disposition reste à préciser. La couleur verdâtre est due à des micro-algues vertes.

Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 23. Zoom sur des aplites litées ayant “poussé” sous forme de dômes sur une pegmatite “normale” La convergence morphologique avec des stromatolithes est impriessionnante et l'origine d'une telle disposition reste à préciser. La couleur verdâtre est due à des micro-algues vertes.

Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 24. “Dômes” d'aplite litée ayant crû sur une pegmatite classique montrant ce qui ressemble à des structures de recoupement voire de granoclassement (ou de tri par densité) En plus d'une croissance cristalline orientée, on se demande s'il n'y a pas eu des phénomènes érosifs ou sédimentaires, ce qui ne serait pas sans rappeler (de loin) ce qu'on voit dans certains gabbros lités (cf. Les ophiolites en 180 photos – 2/7 Les gabbros).

Source - © 2019 Pierre Thomas Figure 25. Zoom sur des “dômes” d'aplite litée ayant crû sur une pegmatite classique montrant ce qui ressemble à des structures de recoupement voire de granoclassement (ou de tri par densité) En plus d'une croissance cristalline orientée, on se demande s'il n'y a pas eu des phénomènes érosifs ou sédimentaires, ce qui ne serait pas sans rappeler (de loin) ce qu'on voit dans certains gabbros lités (cf. Les ophiolites en 180 photos – 2/7 Les gabbros).

Source - © 2019 Pierre Thomas

Figure 26. Localisation des Monts d'Ambazac et de leurs pegmatites en France