Soutenance de thèse de Bence HORÁNYI

Le lithium, métal critique pour la transition énergétique, est principalement extrait de granites à métaux rares et pegmatites (RMGPs), qui fournissent 50 % de l’approvisionnement mondial. Cependant, le mécanisme d’enrichissement en lithium des RMGPs à teneur économique (> 5 000 ppm) reste débattu. Deux modèles s’opposent : la cristallisation fractionnée de magmas granitiques ou la fusion partielle de roches méta sédimentaires enrichies. Les trop larges incertitudes sur le partage du lithium entre minéraux et liquides felsiques sont des éléments bloquant dans la progression du débat. Pour affiner ces mécanismes, des expériences de fusion partielle et de cristallisation ont été réalisées respectivement sur des roches méta sédimentaires et des verres felsiques. Des coefficients de partage ont été déterminés entre les minéraux (micas, feldspaths, quartz, staurotide, cordiérite, grenat et tourmaline) et des liquides felsiques contenant entre 50 et 6000 ppm de lithium. Ces coefficients expérimentaux ont été comparés à la distribution des métaux rares dans la rhyolite de Richemont, considérée comme l’équivalent volcanique des RMGPs. Ces coefficients de partage compilant expériences de laboratoire et observations sur la rhyolite de Richemont, varient jusqu’à deux ordres de grandeur. Cette variabilité a été paramétrée à l’aide de formules empiriques afin de décrire l’évolution des coefficients de partage en fonction des conditions expérimentales et de la composition des minéraux et des liquides. Les résultats révèlent que le lithium devient compatible dans les micas, mais de plus en plus incompatible dans les feldspaths et le quartz au cours de la différenciation magmatique. Afin de proposer un cadre théorique décrivant l’évolution des coefficients de partage en fonction de la composition du liquide, l’effet du lithium sur la structure des liquides granitiques a été étudié par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN). Des spectres RMN ont été obtenus à partir de verres felsiques naturels et synthétiques contenant jusqu’à 2 % massique de lithium. Les résultats sont cohérents avec une compensation de charge de l’aluminium tétraédrique par le lithium, ce qui entraîne une évolution de la structure moléculaire des liquides, passant d’un caractère per alumineux à per alcalin lors de l’enrichissement progressif en lithium. Cette transition compositionnelle au cours de la différenciation magmatique conduit à une incompatibilité croissante du lithium dans le quartz, et dans une moindre mesure dans les feldspaths. Une modélisation des éléments traces utilisant les nouveaux coefficients de partage suggère un processus en deux étapes pour la formation des RMGPs : 1) Fusion partielle de roches crustales enrichies (> 300 ppm Li), 2) Cristallisation fractionnée modérée des liquides extraits (> 1 500 ppm Li), où le lithium, devenu incompatible, s’enrichit exponentiellement dans le liquide résiduel. Cette approche combinée, données expérimentales et modélisation, éclaire la pétrogenèse des RMGPs et souligne la nécessité de considérer des lithologies crustales enrichies comme point de départ. Afin de progresser et d'affiner ces modèles d'enrichissement, nous concluons sur le besoin de modèles thermodynamiques robustes qui contraignent davantage les équilibres de phases à basse température dans les systèmes felsiques, très fractionnés, enrichis en métaux rares, phosphore et fluor.