Minéraux lourds

Un Zircon, minéral lourd très utilisé en provenance et en thermochronologie

En géologie, les minéraux lourds sont des minéraux dont la densité est supérieure à 2,89 g/cm^3. À strictement parler, cette expression est un abus de langage, sous-entendant celle de « minéraux denses », mais son usage est général (en anglais, on parle de “heavy minerals”). Ce terme est principalement utilisé en référence à la fraction dense d'une roche sédimentaire siliciclastique.

Une « suite de minéraux lourds », (en anglais une heavy mineral suite) est l'ensemble des minéraux lourds dans une roche ; elle est quantifiée en pourcentage pondéral.

Les analyses de minéraux lourds sont utilisées pour aider à déterminer la provenance et l'histoire des roches sédimentaires, par le biais de l'interprétation de modélisations dites source to sink[1], (en français « de la source au bassin sédimentaire »).

Description

Les minéraux lourds sont des constituants volumétriquement mineurs dans les roches détritique. Les suites de minéraux lourds sont constituées par les minéraux des roches mères ayant survécu à la destruction. Ils constituent en moyenne 0,1% de la roche et dépassent rarement 1,0%. Les minéraux lourds sont maintenant étudiés dans les analyses de minéraux lourds où ils constituent un témoin des lithologies des roches mères et des systèmes de drainages de sédiments. Ils sont également utiles pour évaluer l'histoire diagénétique ainsi que l'altération pré-érosionnelle[2].

Séparation

Comme les minéraux lourds sont une composante mineure de la plupart des roches sédimentaires (de l'ordre du pour cent[3]), ils doivent être séparés avant de pouvoir être étudiés. Pour procéder à cette séparation, on utilise généralement une partition en densité. Selon les volumes à traiter et la qualité de séparation souhaitée, peuvent être utilisés :

• une table vibrante inclinée à flux d'eau laminaire ;
• une centrifugation sur suspension en milieu fluide ;
• la séparation magnétique, à entrainement rotatif pour des quantités importantes (100 g à 1 kg) ou bien linéaire[4], pour une séparation précise mais sur plus petites quantités)[5] ;
• ou enfin le procédé des liqueurs denses en ampoule à décanter. Les liquides lourds les plus utilisés sont le bromoforme (densité 2,90), le tétrabromométhane^[à vérifier] (densité 2,96), le tribromoéthane, l'iodure de méthylène (densité 3,3), et les polytungstates. Certains de ces produits étant toxiques, le travail s'opère généralement dans une boîte à gants[5].

Au sein d'un sédiment détritique, les minéraux lourds peuvent naturellement se retrouver concentrés localement par rapport à leur fraction globale dans la masse sédimentaire, et séparés les uns des autres, sous forme de placers.

Principaux minéraux lourds[6]

Minéral	formule	densité	Origine
Zircon	ZrSiO4	3,9 - 4,8	Roches magmatiques
Tourmaline	(Al,Fe,Li,Mg,Mn)3(Al,Cr, Fe,V)6 (BO3)3(Si,Al,B)6O18(OH,F)4	2.82 - 3.32	Roches magmatiques et métamorphiques.
Apatite	Ca5(PO4)3(OH,Cl,F)	3.16 - 3.2	Principalement magmatique
Amphibole	A0-1 B2 C5 (Si,Al,Ti)8 O22 D2	3 - 3,6	Roches magmatiques et métamorphiques.
Pyroxène	XY(Si,Al)2O6	3,2 - 3,88	Roches mafiques
Grenat	X^2+3Y^3+2[SiO4^4−]3	3,5 - 4,3	Roches métamorphiques
Olivine	(Mg,Fe)2[SiO4]	3,2 - 3,6	Roches mafiques
Rutile	TiO2	4,2 - 4,3	Roches métamorphiques ou magmatiques

Références

1. « USGS CMG Menlo Park Fume Hood Lab--M3005A », United States Geological Survey (version du 23 juillet 2010 sur Internet Archive).
2. (en) Andrew C Morton et Claire R Hallsworth, « Processes controlling the composition of heavy mineral assemblages in sandstones », Sedimentary Geology, vol. 124, n^o 1,‎ 1^er mars 1999, p. 3–29 (ISSN 0037-0738, DOI 10.1016/S0037-0738(98)00118-3, lire en ligne, consulté le 29 juillet 2020)
3. Boggs, S., 2009. Petrology of sedimentary rocks, Second Edition.
4. appareil traditionnellement dénommé « séparateur magnétique isodynamique de Frantz ».
5. « Tri des minéraux — ISTerre », sur Institut des sciences de la Terre (ISTerre, Grenoble, OSUG, UGA & CNRS) (consulté le 8 mai 2020).
6. « Heavy Minerals in Provenance Studies », Provenance of Arenites,‎ 1985, p. 249-277 (lire en ligne).