les roches ultrabasiques

L'intérêt suscité par les roches ultrabasiques est justifié par le fait que leur étude dans leurs diverses associations débouche sur deux problèmes essentiels : la constitution initiale et actuelle du globe terrestre ; la genèse et la différenciation des magmas basaltiques. Par ailleurs, la formation et l'altération des roches ultrabasiques peuvent conduire à des concentrations métalliques qui leur confèrent un grand intérêt économique.
Le terme « ultrabasique » qualifie, en France, les roches plutoniques à texture généralement grenue, holomélanocrates, c'est-à-dire constituées pour plus de 90 p. 100 de leur volume par des minéraux « colorés », mafiques (riches en fer et en magnésium). Le mot est pris dans une autre acception par les auteurs de langue anglaise ; il désigne alors les roches – qu'elles soient plutoniques ou effusives, leucocrates ou holomélanocrates – qui contiennent moins de 45 p. 100 de silice. Il reste cependant que la très grande majorité des roches « ultramafiques » selon la terminologie anglo-saxonne (holomélanocrates) sont également ultrabasiques.

1.  Nomenclature

Définies selon la nature du minéral prédominant (péridot, pyroxènes ou amphiboles), les roches ultrabasiques constituent trois grandes familles : les péridotites, les pyroxénites (ou pyroxénolites) et les amphibolites (ou amphibololites). Chacune de ces familles est subdivisée en types suivant la nature du ou des minéraux essentiels associés au minéral prédominant. Les types les plus répandus sont, parmi les péridotites : la dunite (olivine seule), la harzburgite (olivine + orthopyroxène), la wehrlite (olivine + clinopyroxène) et la lherzolite (olivine + orthopyroxène + clinopyroxène) ; parmi les pyroxénites : les orthopyroxénites et clinopyroxénites et la webstérite (orthopyroxène + clinopyroxène). La présence de divers minéraux accessoires conduit à la reconnaissance de nombreuses variétés parmi chacun de ces types. Il existe ainsi des péridotites et des pyroxénolites à plagioclase, spinelle, grenat ou amphibole. Enfin, l'ariégite est caractérisée par l'association clinopyroxène-spinelle, l'orthopyroxène, le grenat et l'amphibole pouvant également être présents.
L'emploi du terme « éclogite » prête actuellement à quelque confusion. En effet, si, pour certains auteurs, les éclogites sont au sens strict des roches métamorphiques principalement composées de clinopyroxène omphacitique et de grenat relativement riche en almandin, pour d'autres, en particulier les auteurs anglo-saxons, elles désignent l'assemblage clinopyroxène-grenat (série pyrope-almandin) quels que soient le gisement et la composition des phases constituantes. C'est ainsi que les griquaites (clinopyroxène + grenat) et les grospydites (clinopyroxène alumineux + grenat riche en grossulaire ^± corindon ± disthène), enclaves caractéristiques dans certaines kimberlites, sont couramment considérées comme des éclogites par les auteurs.

2.  Types de gisement

Les gisements des roches ultrabasiques peuvent être rapportés à quatre types principaux, différant les uns des autres par la nature des roches qui y sont associées et par les rapports de l'ensemble avec l'encaissant. Les gisements étroitement liés aux vieux socles (Scandinavie, Galice, Massif central français), dont les caractères minéralogiques découlent essentiellement de l'action du métamorphisme régional, ne seront pas pris en considération ; la plupart des massifs de péridotite à grenat appartiennent à cette catégorie.

•  Les intrusions stratifiées péridotite-gabbro

Les intrusions stratifiées péridotite-gabbro forment des lentilles qui atteignent plusieurs kilomètres d'épaisseur, dont les structures sont parfois parallèles à celles de l'encaissant sédimentaire (gisements concordants). Les lopolites ou laccolites des gisements types (Rhum, Écosse ; Stillwater, États-Unis) sont formées pour leur plus grande part de l'association de roches ultrabasiques (péridotites et pyroxénites) et de roches basiques (gabbros à olivine, norites, anorthosites). En volume, le rapport des roches holomélanocrates aux roches gabbroïques est généralement inférieur à 1/10. Les différents types de roches sont disposés d'une façon déterminée et constante : les roches ultrabasiques, les plus denses, se trouvent dans la partie inférieure du gisement et sont surmontées par des gabbros dont la densité va en diminuant vers le toit du dispositif ; la partie supérieure est parfois occupée par des roches de composition granitique. Il existe d'autres caractères spécifiques remarquables :
– Le contact de la série avec les roches encaissantes est marqué par une bordure figée qui indique que l'intrusion s'est mise en place sous forme liquide ou partiellement liquide.
– Dans la plupart des gisements, un litage rythmique des formations, résultant de l'alternance de lits parallèles entre eux, tour à tour holomélanocrates et mésocrates, constitue des séquences plusieurs fois répétées sur une même verticale. L'explication de ces structures suppose un mécanisme de cristallisation fractionnée à partir d'un liquide et une différenciation par gravité des premières phases constituées dans le magma (phases d'accumulation) ; cette « sédimentation magmatique » s'accompagne parfois de la formation de figures sédimentaires analogues à celles qui caractérisent les séries de type « flysch ». Un effet thermogravitationnel (effet « Soret ») peut également rendre compte de certaines caractéristiques de ce litage.
Enfin, des concentrations d'intérêt économique en platine, chrome, nickel et cobalt sont génétiquement liées à quelques-unes de ces intrusions.
L'ensemble des caractères décrits à propos des intrusions stratifiées se retrouve dans les séries ophiolitiques. Celles-ci se distinguent par le lieu de leur mise en place, au niveau des dorsales océaniques, et, dans le cas type, par la présence, au sommet de la série, de spilites elles-mêmes surmontées par des radiolarites.

•  Les massifs de lherzolite et leur cortège

Les gisements – qui ont une surface allant de quelques mètres carrés à quelques dizaines de kilomètres carrés – sont pour l'essentiel constitués de lherzolites ou de harzburgites à spinelle. Les gabbros sont très rares, les roches associées, sous la forme de filons, aux péridotites étant représentées par divers types de pyroxénite, plus rarement par des amphibolites. Ces gisements sont souvent situés dans des orogènes récents (Alpes, Pyrénées, Cordillères bético-rifaines...), ce qui explique qu'ils soient encore très fréquemment appelés « péridotites de type alpin ».
Les lherzolites et les roches qui leur sont associées possèdent deux caractères qui suffisent à les distinguer nettement des intrusions stratifiées. Le premier est d'ordre structural : les roches sont dans leur masse affectées par des plissements isoclinaux et par une schistosité dus à des déformations plastiques sous des pressions élevées, comparables à celles qui doivent régner dans le manteau supérieur. Le second caractère est d'ordre minéralogique : la nature des paragenèses de même que la composition chimique des minéraux indiquent des conditions de cristallisation ou de recristallisation à des températures et à des pressions élevées correspondant à des profondeurs comprises entre 30 et 100 kilomètres, c'est-à-dire également dans le manteau supérieur.
Les lherzolites peuvent être partiellement ou entièrement remplacées par des serpentinites, roches hydratées qui pour certains auteurs constitueraient en partie la croûte océanique.

•  Les complexes annulaires alcalins et les pipes de kimberlite

Le caractère alcalin des roches ultrabasiques constituant ces gisements se traduit par la présence de micas et de pyroxènes sodiques dans les péridotites et les pyroxénolites.
Dans les complexes annulaires, la roche holomélanocrate est étroitement associée à des roches plutoniques riches en feldspathoïdes (théralites, ijolites) et dans certains cas à des carbonatites. Les différents types de roches sont disposés de façon concentrique, constituant un cylindre subvertical discordant sur l'encaissant. Elles auraient cristallisé à partir d'un magma fortement enrichi en alcalins et en éléments volatils (H₂O, CO₂) injecté à faible profondeur (gisement subvolcanique).
Les kimberlites sont des péridotites micacées bréchiques qui emplissent des cheminées d'explosion subverticales, à contours elliptiques (« pipes »). Ces dunites à phlogopite, souvent très altérées, contiennent en grand nombre des enclaves très diverses : sédimentaire, métamorphique ou éruptive, parfois d'origine extrêmement profonde, et constituent, avec certains lamproïtes (États-Unis, Australie), le gisement du diamant. La cristallisation des kimberlites se serait produite à partir d'un magma basique ou ultrabasique alcalin, différencié à grande profondeur. Ce processus étant accompagné d'une concentration des éléments volatils dans le liquide résiduel, cela expliquerait la nature explosive de la mise en place.

•  Les enclaves dans les basaltes et dans les kimberlites

Les enclaves de roches ultrabasiques observées dans les laves épanchées à la surface sont de deux types :
– Elles résultent de l'accumulation des cristaux les premiers formés dans le magma, à des profondeurs variées ; elles possèdent alors les caractères texturaux et minéralogiques des péridotites et pyroxénites des intrusions stratifiées. Ces enclaves, ou « cumulats », s'observent aussi bien dans les basaltes tholéiitiques que dans les basaltes alcalins.
– Les péridotites, qui sont de loin les plus abondantes, et les pyroxénites (avec ou sans grenat) ont les caractères structuraux, minéralogiques et chimiques des lherzolites et des roches associées présentes dans les zones de plissement alpin. Souvent désignées sous le nom de « nodules », ces roches représenteraient le matériau constituant le manteau supérieur de la Terre dans la zone même où le basalte a pris naissance ou au-dessus de celle-ci. Le fait que ce type d'enclave ne soit présent que dans les laves basaltiques alcalines n'est pas encore clairement expliqué.
Outre ces deux types d'enclaves, les kimberlites contiennent aussi des fragments de lherzolite ou de harzburgite à grenat, qui auraient été arrachés aux zones profondes du manteau supérieur.

3.  Origine des roches ultrabasiques

L'étude des différents gisements et associations auxquels participent les roches ultrabasiques dégage clairement le fait que ces roches peuvent avoir deux origines distinctes. Dans un cas, elles résultent d'une séparation par gravité des premiers minéraux (olivine puis pyroxènes) ayant précipité dans des magmas basaltiques de diverses compositions, injectés à des profondeurs variables dans la croûte. Dans le second cas, les lherzolites (en massifs ou en nodules) auraient été enlevées aux couches qui forment le manteau supérieur, zone qui s'étend sous la discontinuité de Mohorovičić jusqu'à 400 kilomètres de profondeur. Cette hypothèse se fonde sur les données fournies par l'observation directe, confrontées aux résultats des expériences de laboratoire, et sur l'étude plus générale de la constitution physique du globe terrestre ; les recherches sur la vitesse de propagation des ondes sismiques ont en effet abouti à la conclusion que le manteau supérieur serait, pour sa plus grande part, constitué par une péridotite comparable aux lherzolites à spinelle ou à grenat observées à la surface. Comme il est également démontré que les magmas basaltiques prennent naissance dans le manteau supérieur, toute étude concernant les roches ultrabasiques doit apporter un élément de réponse à deux questions fondamentales qui restent posées aux pétrologues, à savoir : celle de la composition primaire et de l'évolution du manteau supérieur et celle de la genèse des magmas basaltiques à partir de la péridotite constituante. Les recherches ont permis l'élaboration d'un modèle, encore très perfectible, mais qui a le mérite de proposer une solution globale à ces deux problèmes.

4.  Constitution du manteau supérieur et genèse des magmas basaltiques

Une péridotite à quatre phases (olivine, orthopyroxène, clinopyroxène et phase alumineuse) capable de donner naissance, par fusion partielle, à des magmas basaltiques serait le matériau constitutif essentiel du manteau supérieur. Les lherzolites, harzburgites et dunites observées à la surface, en massifs ou en enclaves, ne représenteraient dans la plupart des cas que le résidu réfractaire de l'anatexie ayant, à des degrés variables, affecté la péridotite primaire.
Diverses compositions chimiques théoriques ont été proposées pour cette péridotite primaire (avant fusion partielle) du manteau supérieur. La plus couramment utilisée est la pyrolite III de Green et Ringwood, qui se distingue de la composition moyenne des lherzolites à spinelle ou à grenat par des teneurs plus élevées en Al₂O₃, FeO, CaO, TiO₂, K₂O et Na₂O. Les travaux expérimentaux ont montré qu'à cette composition correspondent, pour des pressions croissantes, des assemblages lherzolitiques successivement à plagioclase, à spinelle puis à grenat, évolution minéralogique qui existerait au sein du manteau supérieur, depuis les zones les plus superficielles jusqu'aux plus profondes. Dans certaines conditions, encore mal élucidées (diminution adiabatique de la pression ou augmentation locale de la température), cette péridotite fondrait partiellement. La composition du liquide anatectique ainsi produit, « basalte » primaire, dépend alors de trois facteurs :

Tableau

Péridotites : composition chimique Composition chimique des péridotites dans les massifs de lherzolite (analyses 1, 2, 3) comparée à la composition théorique de la péridotite «primaire» du manteau supérieur (analyse 4; Green et Ringwood, 1967). 

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Dessin

Pyrolite III : composition minéralogique Évolution de la composition minéralogique de la « pyrolite III » avec les conditions de pression et de température (Green et Ringwood, 1967) 

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– la profondeur à laquelle s'opère la fusion, donc de la pression et de la température, qui, elles-mêmes, conditionnent la composition minéralogique de la péridotite primaire ;
– le degré de fusion, c'est-à-dire de la proportion de liquide produit ;
– la pression partielle et la composition de la phase fluide.
À la fusion succède la ségrégation puis l'ascension vers la surface du magma formé. Au cours de ces deux étapes se produiraient des phénomènes complexes de cristallisation fractionnée qui expliqueraient la diversité des compositions basaltiques observées dans les laves qui s'épanchent à la surface. Une partie de ces magmas peut se mettre en place à des profondeurs variées dans les roches constituant la croûte, et cristalliser in situ sous forme d'intrusions stratifiées ou de complexes annulaires. Une partie du liquide anatectique peut rester enfermée dans la masse ultrabasique, c'est-à-dire dans la péridotite résiduelle ; le liquide anatectique évoluerait également par le jeu de cristallisations fractionnées, mais dans des conditions de hautes pressions et de hautes températures, donnant naissance aux divers types de pyroxénites associés aux lherzolites à spinelle.
L'évolution des liquides « piégés » est probablement complexe, du fait qu'elle se produit dans un contexte dynamique : celui d'une masse ultrabasique affectée par des plissements au sein même du manteau, et susceptible de migrer, à l'état solide, jusqu'à de faibles profondeurs au-dessous de la surface. L'évolution, continue ou discontinue, des conditions de pression, température et pression partielle d'eau, qui se traduit par des cristallisations (en présence de liquides) et des recristallisations (réactions de subsolidus), rend très difficile la reconstitution de la composition de la péridotite primaire aussi bien que celles du ou des liquides anatectiques. L'étude des lherzolites et de leur cortège, qui fait l'objet de nombreuses recherches, apporte cependant d'ores et déjà d'importants éclaircissements sur les processus pétrogénétiques dont le manteau supérieur est le siège.

Dessin

Gisement de roches ultrabasiques Représentation schématique de divers types de gisement des roches ultrabasiques. En noir : gisements liés à des processus magmatiques cumulatifs (intrusions stratifiées et associations péridotites-gabbros des séries ophiolitiques) ; en hachuré : péridotites mantelliques et roches associées ; en blan… 

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Fernand CONQUÉRÉ
Jacques KORNPROBST

5.  Altération des roches ultrabasiques

Bien que ne couvrant pas de grandes surfaces en comparaison des matériaux aluminosilicatés classiques de la lithosphère, les roches ultrabasiques présentent un intérêt certain sur le plan des phénomènes d'altération superficielle, notamment dans les domaines géochimique, cristallochimique et métallogénique.

•  Analyse géochimique et cristallochimique des phénomènes

La pauvreté en aluminium des roches ultrabasiques conduit à distinguer une série géochimique évolutive bien spécifique appelée série sifémique (Georges Pédro, 1969), les éléments essentiels étant la silice et le magnésium, le fer venant en troisième position. Or, du fait de son caractère de cation basique (pK = 12,2), le magnésium est mobile dans toutes les conditions physico-chimiques du milieu ; comme la silice l'est aussi, les différents types de l'évolution résultent de la vitesse d'élimination relative de l'un par rapport à l'autre dans l'horizon en voie d'altération. En associant les données expérimentales à celles qui sont recueillies sur le terrain, le problème se présente aujourd'hui comme suit.
La silice peut partir au moins aussi vite que le magnésium, soit (SiO₂) ≥ (MgO) ; c'est ce qui se produit lorsque les eaux d'altération circulent rapidement au contact des roches. Du point de vue des manifestations de l'altération, deux cas sont alors à considérer :
– Si la roche de départ est pauvre en fer, l'évolution se traduit par une solubilisation notable des minéraux sans apparition d'une phase solide résiduelle ; elle se trouve donc à l'origine de la mise en place dans le paysage d'une sorte de morphologie « karstique » (cf. karst).
– Si la teneur en fer devient plus importante, l'altération conduit à libérer, en même temps que la silice et le magnésium sont exportés, le fer des roches, qui, dans de telles conditions de milieu, s'accumule sur place et s'individualise à l'état d'hydrates et d'oxydes (goethite, hématite) indépendants. Une telle évolution, représentée par la relation géochimique :

correspond ainsi à un type de latéritisation « ferrugineuse » désignée sous le terme de ferritisation .

Tableau

Évolution latéritique Évolution latéritique des roches ultrabasiques: cas de la dunite de Conakry, Guinée (M. Bonifas, 1959). 

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Lorsque la silice part moins vite que le magnésium, ce qui peut être explicité géochimiquement par l'inégalité suivante :

l'altération se traduit par une hydrolyse partielle des silicates ; c'est ce qui se passe lorsque les conditions de lessivage sont beaucoup moins agressives. Là encore, il semble opportun de distinguer deux cas : – Si la roche contient très peu de fer, l'évolution conduit à l'apparition de phyllites magnésiennes (cf. argiles) qui sont généralement de type 2/1 (saponites, stevensites...) ou encore fibreuses (sépiolites) : c'est le processus de simatisation. Mais de tels constituants ne sont stables qu'en présence d'une concentration suffisamment élevée en magnésium au sein des eaux interstitielles ; aussi sont-ils de moins en moins caractéristiques au fur et à mesure du développement de l'altération, c'est-à-dire de l'appauvrissement du milieu en magnésium.
– Lorsque la teneur en fer dans le matériau en voie d'évolution est plus élevée, l'hydrolyse partielle conduit à l'individualisation de silicates argileux ferrifères (sifémisation) de type dioctaédrique, qui sont toujours constitués par des feuillets de type 2/1 ; ce sont des montmorillonites ferrifères (nontronites), de formule générale :

Le tableau indique, à titre d'exemple, la composition chimique et minéralogique de la fraction argileuse (< 2 μm) d'un horizon B d'un sol brun eutrophe à nontronite, formé à Bornéo sur harzburgite, en même temps que celle qui correspond à un horizon B « latéritique » développé sur une roche de même type.

Tableau

Fraction argileuse de sols à évolution chimique différente Composition chimique et minéralogique de la fraction argileuse de deux sols à évolution géochimique différente sur harzburgite, Bornéo (H. Eswaran et C. Sys, 1972). 

Crédits: Encyclopædia Universalis France Consulter

L'ensemble des données résultant de l'analyse géochimique et cristallochimique des phénomènes d'altération sur roches hypermagnésiennes est récapitulé dans le tableau avec, à titre de référence, les processus généraux qui leur correspondent dans le cas des roches aluminosilicatées. Le fait le plus marquant de la série sifémique semble constitué par une absence totale, dans les conditions superficielles, de néogenèse d'argiles 1/1 ferromagnésiennes, alors que son homologue, la kaolinisation, reste le phénomène le plus caractéristique de la série aluminosilicatée.

Tableau

Processus d'altération superficielle Caractérisation géochimique et cristallochimique des processus d'altération superficielle relatifs aux roches ultrabasiques. 

Crédits: Encyclopædia Universalis France Consulter

À ce point de l'exposé, il est indispensable d'évoquer le problème de la serpentinisation des roches ultrabasiques, l'association « péridotites-serpentinites » étant en général caractéristique des affleurements de matériaux hypermagnésiens. L'individualisation de serpentine (antigorite ou chrysotile) dans de telles conditions de gisement résulte effectivement d'une « altération » chimique de l'olivine, qui, s'accompagnant d'une forte augmentation de volume (de 35 à 40 p. 100), peut être représentée par une réaction du type :

Toutefois, il faut préciser qu'il ne s'agit pas ici d'un processus d'altération de type atmosphérique, mais d'une sorte d'« autohydrolyse » qui se produirait lors des dernières phases de la cristallisation du magma ultrabasique (altération deutérique).

•  Intérêt économique

Du point de vue économique, l'altération latéritique des roches ultrabasiques présente un grand intérêt, car elle induit une accumulation relative d'un certain nombre d'éléments soit majeurs (fer), soit mineurs (nickel et cobalt). Elle peut donc aboutir à de véritables gîtes métallifères. Citons, par exemple, les gisements de fer de Conakry (Guinée), de Surigao (Philippines), de Cuba, constitués essentiellement d'oxydes et d'hydroxydes, ainsi que les concentrations résiduelles de nickel de Nouvelle-Calédonie, des États-Unis (Nickel Mountain, Oregon), du Brésil (Nickelandia), de Cuba (Nipe Clay). La figure, correspondant à un profil d'altération de péridotite en Nouvelle-Calédonie, fait apparaître, sous l'horizon ferrugineux superficiel, les deux principaux aspects des minéralisations nickélifères caractéristiques de la zone de départ : imprégnation et remplissage. Dans les deux cas il s'agit, du point de vue minéralogique, de silicates argileux magnésionickélifères du type 1/1 (antigorite nickélifère, ou népouite), 2/1 (saponite nickélifère, ou pimelite) et fibreux (sépiolite nickélifère), l'ensemble constituant un matériau désigné habituellement sous le nom de « garniérite ». La teneur moyenne en nickel de la zone minéralisée varie entre 3 et 8 p. 100 pour la Nouvelle-Calédonie. Quant au cobalt, il se présente dans les latérites sous forme de rognons bleutés constitués par un mélange d'oxydes, qu'on désigne sous le nom d'« asbolanes ». La concentration moyenne reste toujours très faible, de l'ordre de 0,5 p. 100 en cobalt ; il demeure qu'à l'heure actuelle, et devant la demande accrue en métal, l'exploitation de ce type de gisements superficiels lié aux roches ultrabasiques semble de moins en moins à négliger.

Dessin

Péridotites de Nouvelle-Calédonie : altération Coupe schématique de l'altération superficielle des péridotites en Nouvelle-Calédonie (d'apr

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