Les gisements orthomagmatiques se forment directement à partir d'un magma, par cristallisation fractionnée ou par séparation d'un liquide sulfuré immiscible. Ce chapitre détaille ces deux mécanismes, les grands types de gisements qui en résultent (chromite, Cu-Ni-EGP, carbonatites, pegmatites) et les critères qui permettent de les reconnaître sur le terrain, un thème récurrent des examens de Métallogénie.
1. Cristallisation fractionnée et concentration des métaux
Lors du refroidissement d'un magma, les minéraux cristallisent dans un ordre défini par la série de Bowen. Certains éléments compatibles s'incorporent préférentiellement dans les premiers minéraux formés (Cr dans la chromite, Ni dans l'olivine), tandis que les éléments incompatibles restent concentrés dans le liquide résiduel au fur et à mesure de la cristallisation. Lorsque les cristaux précoces, plus denses, décantent et s'accumulent au fond de la chambre magmatique, ils forment des cumulats qui peuvent atteindre des teneurs métalliques élevées si le minéral cumulatif est lui-même porteur du métal recherché, comme la chromite.
2. L'immiscibilité des liquides sulfurés (Cu-Ni-EGP)
Un magma basique ou ultrabasique riche en soufre peut, sous certaines conditions, se séparer en deux liquides non miscibles : un liquide silicaté et un liquide sulfuré, plus dense, enrichi en fer, cuivre, nickel et en éléments du groupe du platine (EGP : Pt, Pd, Rh, Ru, Ir, Os). Ce liquide sulfuré décante et s'accumule à la base de l'intrusion ou dans des chenaux d'écoulement du magma, formant des amas ou des lentilles de sulfures massifs (pyrrhotite, pentlandite, chalcopyrite). L'apport de soufre externe, par assimilation de roches encaissantes riches en sulfures, favorise souvent le déclenchement de cette immiscibilité, un mécanisme documenté dans plusieurs provinces à Cu-Ni du bouclier canadien.
Le rapport magma/soufre contrôle la teneur finale du liquide sulfuré : un faible volume de liquide sulfuré séparé d'un grand volume de magma donne des sulfures très riches en métaux, car ces derniers se répartissent préférentiellement dans la petite quantité de liquide sulfuré. C'est ce principe qui explique pourquoi les meilleurs gisements Cu-Ni-EGP sont associés à des intrusions ayant assimilé du soufre crustal tardivement, plutôt qu'à des magmas déjà saturés en soufre dès leur origine.
3. Gisements stratiformes de chromite et de platinoïdes
Les grands complexes litho-stratifiés (complexes lités), formés par la mise en place de magmas basiques-ultrabasiques en chambres magmatiques stables et de grande taille, présentent une alternance de niveaux cumulatifs : dunites et péridotites à la base, puis niveaux à chromite, gabbros et anorthosites vers le sommet. Les couches de chromite (chromitites) qui se répètent dans ces séquences constituent l'essentiel des réserves mondiales de chrome, tandis que certains niveaux riches en sulfures concentrent les EGP. Ces gisements se distinguent par leur extension latérale considérable et leur régularité stratigraphique, très différente de la géométrie irrégulière des filons hydrothermaux.
4. Carbonatites et gisements associés
Les carbonatites sont des roches magmatiques rares, composées majoritairement de carbonates, mises en place le plus souvent en contexte de rift continental, en association avec des complexes alcalins. Elles concentrent des éléments incompatibles comme le niobium, les terres rares, le phosphore (apatite) et parfois le fer. Leur origine reste discutée entre cristallisation fractionnée extrême d'un magma alcalin et immiscibilité entre un liquide silicaté et un liquide carbonaté, mais dans les deux cas le mécanisme reste apparenté à la différenciation magmatique traitée dans ce chapitre.
5. Pegmatites : la différenciation ultime
Les pegmatites représentent les tout derniers liquides résiduels de la cristallisation d'un magma granitique, très enrichis en eau et en éléments incompatibles (Li, Be, Sn, Nb, Ta, terres rares) qui n'ont pas trouvé place dans les minéraux formés précédemment. Cette concentration extrême explique leur minéralogie spectaculaire (grands cristaux, minéraux rares) et leur intérêt économique pour le lithium, l'étain et le tantale. Les pegmatites se mettent en place en filons ou en lentilles au voisinage du granite parent, souvent zonées, avec un cœur plus riche en minéraux rares que la bordure.
Roche magmatique formée par l'accumulation de cristaux précoces décantés au fond d'une chambre magmatique, avant la cristallisation complète du liquide résiduel.
Séparation d'un magma en un liquide silicaté et un liquide sulfuré non miscibles, ce dernier concentrant Fe, Cu, Ni et les éléments du groupe du platine.
| Mécanisme | Métaux concentrés | Type de gisement |
|---|---|---|
| Cristallisation fractionnée (cumulats) | Cr, Fe, Ti, EGP | Chromitites stratiformes, complexes lités |
| Immiscibilité du liquide sulfuré | Cu, Ni, EGP | Sulfures massifs Cu-Ni (amas, lentilles) |
| Différenciation extrême (carbonatites) | Nb, terres rares, P | Carbonatites, complexes alcalins |
| Différenciation extrême (pegmatites) | Li, Sn, Ta, Be | Filons et lentilles pegmatitiques |
Gisements magmatiques : deux mécanismes, deux résultats
- Cristallisation fractionnée : les cumulats précoces (chromite, olivine) concentrent les éléments compatibles.
- Immiscibilité sulfurée : un liquide sulfuré dense se sépare du magma silicaté et concentre Cu-Ni-EGP.
- L'apport de soufre externe (assimilation crustale) favorise souvent le déclenchement de l'immiscibilité.
- Les complexes lités donnent des chromitites stratiformes très étendues latéralement.
- Carbonatites → Nb, terres rares, apatite ; pegmatites → Li, Sn, Ta, Be, dernier stade de différenciation.
Le mécanisme d'immiscibilité des liquides sulfurés et le rôle du rapport magma/soufre reviennent souvent en question de cours. Attention à ne pas confondre cristallisation fractionnée (cumulats solides) et immiscibilité (séparation de deux liquides) : ce sont deux processus magmatiques distincts, même s'ils peuvent coexister dans une même intrusion. Sache aussi associer chaque type de roche mère à ses métaux typiques (péridotite → Cr-Ni, granite différencié → pegmatite à Li-Sn-Ta).