Article | 11/06/2025
Concentration et fractionnement des terres rares : processus magmatiques, hydrothermaux et sédimentaires
11/06/2025
Résumé
Études pétrographiques (zonation, inclusions fluides) et géochimiques permettant de comprendre les processus géologiques de concentration et de fractionnement des terres rares.
Table des matières
- Introduction
- Prérequis pour former un bon gisement de terres rares : l'origine mantellique
- Le rôle des fluides hydrothermaux dans la concentration et le fractionnement des terres rares à des niveaux exploitables
- Formation des gisements secondaires par altération de formations primaires
- Les terres rares en tant que marqueurs de processus géologiques
- Conclusion
- Bibliographie
Introduction
Les terres rares, aujourd'hui au cœur de l'actualité mondiale, sont des métaux critiques utilisés dans les nouvelles technologies, dont les énergies renouvelables. Elles sont actuellement produites surtout en Chine, en Australie et aux États-Unis. Elles se divisent en terres rares légères (du lanthane – La – à l'europium – Eu) et terres rares lourdes (du gadolinium – Gd – au lutétium – Lu, avec l'yttrium – Y). Ces dernières sont plus rares, et ont plus d'applications industrielles. Les gisements de terres rares peuvent être primaires, c'est-à-dire formés à haute température (gisements ignés, carbonatites, systèmes alcalins) ou secondaires, donc de plus basse température et issus de l'altération de formations primaires (placers, argiles à adsorption d'ions) (Bernard, 2020[3], 2025[4]). Le type et le tonnage des gisements de terres rares dépendent de nombreux paramètres comme la source du magma, les processus magmatiques, la circulation de fluides hydrothermaux, et/ou l'altération. Les systèmes alcalins sont les gisements primaires les plus riches en terres rares lourdes, mais les processus à l'origine de cette concentration et ce fractionnement particulier restent peu étudiés, comme pour de nombreux gisements. Cet article se propose donc de faire le point sur les connaissances de la communauté concernant les processus à l'œuvre, ainsi que les marqueurs de ces processus géologiques.
Prérequis pour former un bon gisement de terres rares : l'origine mantellique
Les gisements primaires, eux-mêmes à l'origine des gisements secondaires, se forment par fusion partielle du manteau. En accord avec l'effet d'Oddo-Harkins, les terres rares avec un numéro atomique impair sont naturellement moins présentes dans le système solaire que celles avec un numéro atomique pair (Oddo, 1914[12] ; Harkins, 1917[9]). Le manteau terrestre ne fait pas exception à cette règle, aussi les graphiques montrant l'abondance des terres rares en son sein se présentent en dents de scie (figure 1). Afin de s'affranchir de cet effet qui complique l'analyse des concentrations en terres rares, celle-ci se fait toujours normalisée par rapport à une référence, qui est en général le manteau ou une météorite de type chondrite CI (par exemple, figure 3).
Cette contraction des lanthanides est à l'origine d'un comportement différent des terres rares légères et lourdes lors des processus de formation des roches. Afin d'appréhender au mieux la formation des gisements de terres rares, et notamment ceux enrichis en terres rares lourdes, les chercheurs se concentrent sur la compréhension de ce comportement en fonction de nombreux paramètres comme le taux de fusion partielle, la cristallisation fractionnée, la circulation de fluides (liquides, gaz) ou le degré d'altération.
L'étude détaillée de gisements peut faire apparaitre des contradictions dans l'établissement de leur mode de mise en place. Par exemple, le rôle de la contamination crustale dans l'enrichissement en terres rares des gisements primaires est débattu : elle a été identifiée dans des gisements alcalins comme Amis (Namibie) (Schmitt et al., 2002[15]) ou Khan Bogd (Mongolie) (Kovalenko et al., 2006[10]), mais rejetée dans d'autres comme Évisa (Corse) (Rossi et al., 2010[13]). La croute continentale étant enrichie en terres rares par rapport au manteau, déterminer précisément son rôle serait donc intéressant pour comprendre et identifier de futurs gisements de terres rares.
L'étude comparative de nombreux gisements primaires a pu, au contraire, faire ressortir des points communs (Beard et al., 2023[2]). Il semble donc que les critères généraux clés pour former un gisement primaire riche en terres rares soient (1) un faible degré de fusion partielle ; (2) une fusion à haute pression, par exemple sous une croute continentale épaissie (≥ 40 km) ; (3) une source mantellique métasomatisée (par exemple par des fluides provenant d'une zone de subduction) et ainsi enrichie en éléments volatils ; (4) un fort degré de cristallisation fractionnée, les terres rares étant des éléments incompatibles ils se concentrent dans les magmas résiduels. Les pegmatites, résultant de la cristallisation des derniers jus magmatiques, sont donc particulièrement enrichies en terres rares.
Le rôle des fluides hydrothermaux dans la concentration et le fractionnement des terres rares à des niveaux exploitables
De nombreux fluides parcourent le sous-sol terrestre, et des études ont montré qu'ils jouent un rôle dans la reconcentration et le fractionnement des terres rares à l'échelle locale, rendant certains complexes magmatiques économiquement exploitables. En effet, la concentration moyenne en oxydes de terres rares dans la croute est de 0,08 % (Rudnick et Gao, 2003[14]) ; la reconcentration par les fluides permet d'obtenir, pour les gisements exploitables, une teneur supérieure à 1 % (Viel, 2023[20]) pouvant aller jusqu'à 14,5 % dans la mine de Steenkampskraal en Afrique du Sud (steenkampskraal.co.za, 2025[17]). Ces fluides peuvent être orthomagmatiques, c'est-à-dire qu'ils sont exsolvés du magma et circulent donc lorsque les derniers minéraux finissent de cristalliser ; ou hydrothermaux, circulant après cristallisation complète du magma. L'étude du rôle de chacun de ces fluides se faisant à posteriori, il peut être difficile de prouver leur présence et de départager leurs rôles. Un nombre croissant d'articles se focalise cependant sur cette thématique, comme par exemple au sein des complexes alcalins (ensemble de roches contenant une quantité importante de feldspathoïdes et/ou d'amphiboles et pyroxènes alcalins).
Informations apportées par les zonations des minéraux
Les granites alcalins et les pegmatites associées contiennent globalement une même minéralogie principale : quartz, feldspaths alcalins, amphiboles alcalines, et aegirine (un pyroxène alcalin). L'étude comparative de ces minéraux principaux permet de retracer les étapes de formation des roches alcalines en question, au travers de leur composition en éléments chimiques traces. En effet, pour croitre, les cristaux prélèvent dans leur environnement les éléments chimiques constitutifs de ces minéraux, présents dans leur formule chimique, mais également des éléments traces, susceptibles de se loger au sein de lacunes ou de se substituer ponctuellement aux éléments principaux. Un changement de composition de l'environnement, par exemple via des phénomènes de cristallisation fractionnée, de différenciation ou de circulation de fluides, mènera ainsi à un changement de composition du minéral en train de cristalliser. L'étude des zonations de ces minéraux apporte donc de précieuses informations sur le contexte de cristallisation.
C'est par exemple le cas des aegirines du complexe alcalin d'Ambohimirahavavy, à Madagascar (figure 2). Dans les pegmatites, ces pyroxènes sont en effet systématiquement zonés, avec un cœur (“zone A”) enrichi en calcium (Ca), étain (Sn), hafnium (Hf), zirconium (Zr) et terres rares (lourdes en particulier, figure 3) et appauvri en sodium (Na), aluminium (Al) et fer 3+ (Fe3+) par rapport aux bordures. Celles-ci présentent en outre des compositions particulières en fonction des secteurs cristallographiques impliqués. La “zone C” est ainsi riche en titane (Ti) et Ca, et la “zone D” en Fe. Ces changements de composition entre cœur et bordures, très nets, impliquent un changement rapide de composition de l'environnement de croissance des cristaux.
 Source - © 2020 Bernard [3] On distingue trois zones : le cœur, zone A, et les bordures, zones C et D. SEM : microscope électronique à balayage ; OM : microscope optique. |
 Source - © 2020 Bernard [3] LA-ICPMS : Spectrométrie de Masse à Plasma à Couplage Inductifs (ICPMS) à Ablation Laser (LA). |
Il reste à identifier l'origine de ce changement. L'observation attentive des bordures des aegirines révèle la présence d'oscillations dans la composition en éléments traces, d'inclusions de fluides, et parfois d'inclusions de minéraux clairement hydrothermaux comme la bastnaésite-(Ce). Cette étude permet ainsi d'affirmer que le cœur des aegirines s'est formé pendant la cristallisation du magma, et les bordures à partir d'un fluide circulant, orthomagmatique ou hydrothermal.
Afin de pouvoir tirer des conclusions générales de cette étude, la même méthodologie a été suivie pour l'étude de plusieurs localisations dans le monde, et sur plusieurs minéraux. Dans le cas des complexes alcalins, les complexes d'Amis (Namibie), Évisa (Corse), Khan Bogd (Mongolie), Manongarivo (Madagascar), et Strange Lake (Canada) ont révélé le même type de zonation des aegirines (Bernard et al., 2020[5]). Par ailleurs, l'étude d'autres minéraux zonés comme le quartz, le zircon ou le groupe des pyrochlores (PGM) a mené aux mêmes conclusions (Bernard, 2020[3], Monnier et al., 2025[11]).
En résumé, l'étude des zonations de minéraux communs au sein des roches étudiées permet de retracer leur histoire. La présence plus importante de terres rares au cœur de ces minéraux montre que la circulation tardive de fluides dans les roches remobilise les terres rares, et en particulier les terres rares lourdes, jouant un rôle prépondérant dans les processus de concentration et de fractionnement des terres rares. Ces éléments sont ensuite redéposés en masse, formant des zones particulièrement riches en minéraux concentrés en terres rares comme le zircon, la bastnaésite-(Ce), la monazite-(Ce), l'allanite-(Ce) ou l'yttrialite-(Y) (figure 4).
Source - © 2020 Bernard [3]
Abréviations : ilm ilménite, qtz quartz, afs feldspath alcalin, aeg aegirine, bsn bastnaésite-(Ce), Ca-hlr calciohilairite, flr fluorite, xnt xenotime-(Y), lvn låvenite, lpt laptevite-(Ce), mnp maoniupingite-(Ce), zrn zircon.
Informations apportées par les inclusions fluides
L'étude des zonations minérales ne permet pas de différencier les fluides orthomagmatiques des fluides hydrothermaux, aussi la présence d'inclusions de ces fluides dans les minéraux est précieuse. Elle renseigne notamment sur la composition, la salinité et la température des fluides ayant circulé. Ces inclusions fluides se présentent sous la forme de petites gouttes piégées dans les minéraux, et peuvent contenir une phase fluide, une phase vapeur, et une ou plusieurs phase(s) solide(s) (figure 5).
Source - © 2020 D’après Bernard [3]
L phase liquide, V phase vapeur, S phase solide.
La microthermométrie est une méthode permettant de déterminer la salinité des inclusions fluides ainsi que leur température minimale de formation en les soumettant à des changements importants de température (−200 à +500°C). La température eutectique, à laquelle l'inclusion commence à fondre, renseigne sur les sels principaux en présence. La température de fusion, à laquelle toute l'inclusion a fondu, donne la salinité totale de l'inclusion. Enfin la température d'homogénéisation, à laquelle toutes les phases liquide, vapeur et solide sont confondues en une seule phase, permet de pointer la température minimale à laquelle le fluide circulait lorsqu'il a été piégé. Cette étude peut être complétée par l'ouverture des inclusions contenant une phase solide, afin d'identifier leur composition au microscope électronique à balayage (figure 6).
Source - © 2020 Bernard [3]
Dans le cas des six complexes alcalins discutés plus haut, cette étude montre l'importance dans la remobilisation des terres rares d'au moins un fluide orthomagmatique riche en NaCl et KCl ayant circulé à moins de 400°C et d'un fluide hydrothermal riche en fluor (F) (Bernard, 2020[3]). Un bilan des étapes conduisant à l'enrichissement en terres rares, en particulier lourdes, au sein des complexes alcalins est proposé en figure 7.
Source - © 2020 Adapté d’après Bernard [3]
Formation des gisements secondaires par altération de formations primaires
Les gisements secondaires sont, eux, formés par l'altération partielle de roches de surface. On en trouve deux grands types : les placers, accumulations de minéraux et métaux lourds résultant de l'action combinée de l'altération physique de roches et de la gravité, et les argiles à adsorption d'ions résultant de l'altération chimique de roches magmatiques ou métamorphiques.
Les placers
Il existe plusieurs types de placers en fonction de leur origine de formation. On recense actuellement les placers alluviaux (formés par un cours d'eau, les plus courants), colluviaux (formés par la gravité), éoliens (formés par le vent), de plage, et les paléoplacers (masses rocheuses enfouies et consolidées par diagenèse).
Dans tous les cas, l'agent d'érosion transporte les sédiments formés sur une certaine distance. Les plus lourds peuvent alors se retrouver piégés dans des creux du relief ou des zones de faible courant tandis que les plus légers sont emportés au loin, ce qui a pour effet de concentrer localement des minéraux et métaux les plus lourds (figure 8). Les terres rares font partie des éléments piégés car lourds, souvent au sein de la monazite-(Ce) et du xénotime-(Y). On trouve aussi d'autres matériaux économiquement intéressants au sein des placers : zircon, diamant, rutile, cassitérite, magnétite, or, métaux du groupe du platine en sont quelques exemples.
Source - © 2025 Cyrielle Bernard, d’après Encyclopedia Britannica
Figure 8. Formation d'un placer alluvial
Les argiles à adsorption d'ions
Les gisements de type argiles à adsorption d'ions ont des teneurs en oxydes de terres rares assez faibles, de l'ordre de 0,3 % (Bru et al., 2015[6]), mais sont actuellement les plus exploités dans le monde, en Chine notamment, en raison de leur facilité d'extraction.
De manière générale, les éléments ne se comportent pas tous de la même façon face à l'altération chimique. Certains passent assez facilement en solution, comme le potassium (K), le sodium (Na) et les terres rares, tandis que d'autres sont difficilement lessivables, comme l'aluminium (Al) ou le fer 3+ (Fe3+). Ces comportements sont résumés dans le diagramme de Goldschmidt (figure 9). Lors de l'altération de roches magmatiques (souvent du granite) ou métamorphiques, les éléments solubles vont donc être entrainés par l'eau, tandis que les cations précipitants vont rester sur place. Cela mène à la formation d'argiles, de natures différentes en fonction du degré de lessivage (figure 10).
Les argiles étant des phyllosilicates elles sont constituées de feuillets, qui peuvent piéger certains ions. Les terres rares en solution circulent ainsi dans l'eau au contact des argiles nouvellement formées et se retrouvent piégées par complexation avec les atomes composant les feuillets. Elles peuvent être physiquement adsorbées via des liaisons hydrogène, donc faibles, au niveau externe des argiles, ou chimiquement adsorbées en formant des liaisons avec les tétraèdres de silicium (Si-O) ou les octaèdres d'aluminium (Al-O), donc au niveau interne (figure 11). Ce deuxième mode d'adsorption dépend de la taille des cations adsorbés, et induit donc un fractionnement entre terres rares lourdes et légères. Ce processus d'adsorption mène ainsi à la formation d'argiles enrichies en terres rares, et parfois en terres rares lourdes. Les liaisons hydrogène en particulier étant très sensibles au pH, l'exploitation des terres rares dans ces gisements est relativement facile car il “suffit” d'injecter une solution acide dans le sol afin de récupérer les terres rares adsorbées, tout en ne réfléchissant pas trop aux conséquences environnementales…
Source - © 2023 D’après Wu et al. [21], modifié
Les terres rares en tant que marqueurs de processus géologiques
Comme indiqué plus haut, les diagrammes de terres rares (ou spider diagrams / spidergrams ou arachnogrammes – spider = araignée = arakhnê) sont toujours présentés avec des concentrations normalisées par rapport à une référence. Il est donc important de comprendre les caractéristiques de la référence afin d'interpréter ces spectres. Une croute provenant de la fusion partielle du manteau supérieur sera plus riche en terres rares, en particulier légères, que celui-ci, car les terres rares sont des éléments incompatibles. De même elle sera également plus riche qu'une chondrite, qui correspond à la composition moyenne d'une planète. La figure 12 montre plusieurs exemples d'arachnogrammes de roches plutoniques enrichies d'un facteur 1 à 1 000 en terres rares, légères principalement.
Source - © 2013 Adapté de Dutch et al. [8]
Diagrammes d'après les mesures de Sun et McDonough, 1989[18]. Les spectres sont enrichis en terres rares, et en particulier en terres rares légères.
Certaines localités présentent au contraire des arachnogrammes plats voire enrichis en terres rares lourdes, comme présentés en figure 13. Cette forme particulière indique l'intervention de processus géologiques plus complexes qu'une simple fusion partielle, et est en outre révélatrice d'un potentiel économique intéressant (sous réserve bien sûr d'une concentration suffisante).
Source - © 2020 Bernard [3]
D'après les mesures de Sun et McDonough, 1989[18]. Les spectres sont très enrichis en terres rares, et parfois plutôt en terres rares lourdes.
Les figures 12 et 13 présentent par ailleurs des pics positifs ou négatifs pour certaines terres rares, en particulier le cérium (Ce) et l'europium (Eu), qui sont les seules terres rares pouvant être respectivement quadrivalente (Ce4+) et divalente (Eu2+). Ces anomalies sont intéressantes car elles permettent de retracer des processus géologiques en combinaison avec d'autres observations. Par exemple, la forte anomalie négative en Eu visible sur les figures 12 et 13 est communément attribuée à sa présence sous forme Eu2+, qui peut être liée dans les gisements primaires à un environnement magmatique réducteur (Trail et al., 2012[19]). L'anomalie positive en Ce résulte de sa présence sous forme Ce4+, et est plutôt liée à un environnement magmatique oxydant. La présence des deux anomalies au sein d'une même roche (certains microgranites de la figure 12) est donc surprenante, et peut être expliquée par une cristallisation fractionnée précoce au sein de la chambre magmatique. Celle-ci permet la formation de minéraux comme le feldspath plagioclase, qui prélèvent beaucoup d'Eu du magma lors de leur formation. Le magma restant se retrouve alors appauvri en Eu, et les roches formées par cristallisation des derniers jus présentent une anomalie négative en cet élément (Bernard, 2020[3]).
Conclusion
Les terres rares, généralement présentes en faibles quantités dans les roches et minéraux terrestres, peuvent ainsi subir divers processus magmatiques, hydrothermaux et d'altération permettant de les concentrer voire de les fractionner, et formant des gisements économiquement exploitables. Ces processus peuvent être retracés par différents moyens, comme l'étude pétrologique détaillée de certains minéraux communs (pyroxène, zircon, etc.) ou l'interprétation des anomalies sur les diagrammes normalisés, anomalies en Ce et Eu notamment.
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