Lorsqu’une plaque tectonique s’enfonce sous une autre, elle génère des magmas riches en substances volatiles comme l’eau, le soufre et le chlore. Au fur et à mesure de leur ascension, ces magmas libèrent des fluides magmatiques dans lesquels le soufre et le chlore se lient à des métaux tels que l’or et le cuivre, et transportent ces métaux vers la surface de la Terre.
Les conditions extrêmes propres aux magmas naturels étant très difficiles à reproduire en laboratoire, le rôle précis des différentes formes de soufre dans le transport des métaux reste très controversé. Cependant, une approche innovante d’une équipe de l’Université de Genève (UNIGE) a démontré que le soufre, sous sa forme bisulfure (HS-), est crucial pour le transport de l’or dans les fluides magmatiques.
Ces découvertes sont publié dans Géosciences naturelles.
Lorsque deux plaques tectoniques entrent en collision, la plaque subductrice plonge dans le manteau terrestre, se réchauffe et libère de grandes quantités d’eau. Cette eau abaisse la température de fusion du manteau, qui fond sous haute pression et à des températures dépassant mille degrés Celsius pour former des magmas. Le magma liquide étant moins dense que le reste du manteau, il migre vers la surface terrestre.
« »En raison de la chute de pression, les magmas s’élevant vers la surface de la Terre saturent un fluide riche en eau, qui est ensuite libéré sous forme de bulles de fluide magmatique, laissant derrière lui une fonte de silicates », explique Stefan Farsang, chercheur postdoctoral au Département de la Terre. Sciences à la Faculté des Sciences de l’UNIGE et premier auteur de l’étude.
Les fluides magmatiques sont donc composés en partie d’eau, mais aussi d’éléments volatils dissous comme le soufre et le chlore. Ces deux éléments sont cruciaux car ils extraient l’or, le cuivre et d’autres métaux de la masse silicatée dans le fluide magmatique, facilitant ainsi leur migration vers la surface.
Plusieurs formes de soufre
Le soufre peut facilement être réduit ou oxydé, c’est-à-dire gagner ou perdre des électrons, un processus appelé redox. L’état rédox du soufre est important car il affecte sa capacité à se lier à d’autres éléments, tels que les métaux. Pourtant, un débat divise la communauté scientifique depuis plus d’une décennie : quel est l’état rédox du soufre présent dans le fluide magmatique qui mobilise et transporte les métaux ?
Zoltán Zajacz, professeur associé au Département des sciences de la Terre de la Faculté des sciences de l’UNIGE et co-auteur de l’étude, explique : « Un article fondateur de 2011 suggérait que les radicaux soufrés S3 jouent ce rôle. Cependant, les méthodes expérimentales et analytiques avaient plusieurs limitations, en particulier lorsqu’il s’agissait de reproduire les conditions magmatiques pertinentes de pression-température et d’oxydo-réduction, que nous avons maintenant surmontées.
Révolution méthodologique
L’équipe de l’UNIGE a placé un cylindre de quartz et un liquide de composition similaire à celle d’un fluide magmatique dans une capsule d’or scellée. La capsule a ensuite été placée dans un récipient sous pression, qui a ensuite été amené aux conditions de pression et de température caractéristiques des magmas mis en place dans la croûte supérieure terrestre.
« Par-dessus tout, notre configuration facilite un contrôle flexible des conditions redox dans le système, ce qui n’était pas possible auparavant », ajoute Farsang.
Au cours des expériences, le cylindre de quartz est fracturé, permettant au fluide magmatique synthétique d’entrer. Le quartz piège ensuite des gouttelettes de fluide de taille microscopique comme celles que l’on trouve dans la nature, et la forme de soufre qu’elles contiennent peut être analysée à haute température et pression à l’aide de lasers avec une technique analytique connue sous le nom de spectroscopie Raman.
Alors que les expériences spectroscopiques précédentes se déroulaient généralement jusqu’à 700 °C, l’équipe de l’UNIGE a réussi à élever la température à 875 °C, caractéristique des magmas naturels.
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Le bisulfure comme transporteur
L’étude montre que le bisulfure (HS-), le sulfure d’hydrogène (H2S) et le dioxyde de soufre (SO2) sont les principales espèces soufrées présentes dans les fluides expérimentaux aux températures magmatiques. Le rôle du bisulfure dans le transport des métaux était déjà bien documenté dans les fluides dits hydrothermaux à basse température, issus de fluides magmatiques à plus haute température. Cependant, on pensait que le bisulfure avait une stabilité très limitée aux températures magmatiques.
Grâce à leur méthodologie de pointe, l’équipe de l’UNIGE a pu montrer que dans les fluides magmatiques également, le bisulfure est responsable du transport de l’essentiel de l’or.
« »En choisissant soigneusement nos longueurs d’onde laser, nous avons également montré que lors d’études précédentes, la quantité de radicaux soufrés dans les fluides géologiques était fortement surestimée et que les résultats de l’étude de 2011 étaient en fait basés sur un artefact de mesure, mettant ainsi un terme à cette situation. débat », déclare Farsang.
Les conditions menant à la formation d’importants gisements de minerais de métaux précieux sont désormais clarifiées. Étant donné qu’une grande partie de la production mondiale de cuivre et d’or provient de gisements formés par des fluides dérivés du magma, cette étude pourrait contribuer à leur exploration en ouvrant des perspectives importantes pour comprendre leur formation.
Plus d’informations :
Stefan Farsang et al, Espèces soufrées et transport de l’or dans les fluides magmatiques d’arc, Géosciences naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41561-024-01601-3