Un radical de soufre pour expliquer la formation des gisements d’or

Bien que l’or soit l’un des métaux les plus rares sur Terre, avec des teneurs moyennes de l’ordre seulement de 1 milligramme par tonne de roche, il existe des endroits dans la croûte terrestre où ce métal se concentre de plusieurs ordres de grandeur dans des roches et filons (jusqu’à parfois 1 kilogramme par tonne), en permettant ainsi une extraction économiquement rentable. Ces anomalies géochimiques extraordinaires (appelées gisements), se forment à partir de fluides aqueux enrichis en sel, soufre et, parfois, CO₂ et qui circulent dans la croûte terrestre, extraient le métal des roches et des magmas, puis le transportent et déposent au bon endroit et au bon moment. Cependant, les facteurs favorables à ce transfert de l’or depuis la roche source et l’état du métal dans le fluide restent encore mal compris. La mobilisation et le transport d’un métal par les fluides hydrothermaux s’effectuent par formation de complexes entre les ions métalliques et les sels minéraux présents dans ces fluides. Jusqu’à présent, le sulfure (à base de H₂S) et le chlorure (à base de sel, e.g., NaCl, KCl) ont été considérés comme les seuls composés capables de faciliter le transport de Au en se liant au métal et en formant des complexes solubles dans le fluide (par exemple, AuCl₂^-, Au(HS)₂^-). Néanmoins, les capacités de mise en solution de l’or par ces composés (appelés ligands) sont médiocres, ce qui rend difficile d’expliquer le paradoxe de formation des gisements et leur distribution sur Terre.
 

Pour définir très précisément la structure de l’or dans ces conditions, ce travail s’est appuyé d’une part sur les qualités de l’instrument national, la ligne CRG-FAME à l’ESRF (limite de détection très basse, grande stabilité du faisceau) pour les mesures d’absorption X et d’autre part sur le dispositif de mesure in situ haute pression haute température développée par l’équipe en charge de la ligne associée à l’OSUG.

Pour tenter de résoudre cette vielle énigme, quatre équipes françaises [1] réunies autour d’un grand projet ANR [2] ont mesuré, en utilisant des réacteurs et cellules de haute température et pression, et une méthode optique in situ, la spectroscopie d’absorption de rayons X sur synchrotron, les teneurs et l’état chimique de l’or dans des fluides modèles riches en soufre fabriqués en laboratoire aux compositions et conditions analogues à celles dans la croûte terrestre (températures jusqu’à 500°C, pressions jusqu’à 2 kbar équivalent à une profondeur de 7 km environ, teneurs en soufre jusqu’à 3%, teneurs en sel jusqu’à 20%).
 

Ces fluides contiennent majoritairement du sulfure et du chlorure et, en plus faible quantités, d’autres formes de soufre comme les ions radicalaires S₃^- (et S₂^-) découverts récemment [3]. Les chercheurs ont analysé les données obtenues en utilisant des approches d’équilibre chimique et des simulations de dynamique moléculaire afin d’identifier les formes moléculaires de l’or dans ces fluides et quantifier leurs domaines de stabilité. Le résultat a stupéfait les chercheurs : ce ne sont pas les sulfures ou chlorures mais les ions S₃^- qui se lient très fortement à l’or en formant des complexes très stables (de type Au(HS)S₃^-), capables de transporter des teneurs en Au 10 à 100 fois supérieures à celles des sulfures ou chlorures à eux tous seuls. Les chercheurs ont proposé un modèle thermodynamique permettant d’estimer la stabilité de ses nouveaux transporteurs d’or et la solubilité du métal dans une large gamme de températures et pressions (jusqu’à au moins 700°C et 10 kbar), des magmas naissant dans les zones de subduction aux sources chaudes jaillissant à la surface.

En appliquant ce modèle aux conditions que les fluides rencontrent lors de leur naissance et de leur évolution dans la croûte terrestre, les chercheurs ont démontré que les espèces radicalaires de soufre, bien que moins abondantes que le sulfure ou le chlorure dans la plupart des fluides naturels, sont néanmoins capables d’extraire de grandes quantités d’or du magma lors de son dégazage ou des roches sédimentaires subissant de fortes pressions et températures (appelé phénomène de métamorphisme), puis de les transporter à travers la croûte terrestre. Lorsque ces fluides chauds remontent à la surface, se refroidissent ou rencontrent une roche de composition différente (e.g., calcaire), les radicaux de soufre se décomposent en laissant leur butin d’or se déposer dans des veines et cavités avec des minéraux majeurs (e.g., pyrite, le sulfure de fer le plus abondant auquel l’or est souvent associé). La découverte des complexes stables et mobiles entre Au et S₃^- aide à expliquer le paradoxe de formation des gisements d’or et permet le choix des sites où de nouveaux gisements qui pourraient être découverts, en offrant plus de potentiel pour l’exploration. Par analogie avec Au, d’autres métaux économiquement importants, comme le molybdène ou le platine qui sont également considérés comme très peu mobiles, pourraient aussi se lier à S₃^-, augmentant ainsi fortement leur mobilité et leur dépôt par les fluides. Les résultats de cette recherche pourraient aussi aider à améliorer les procédés d’extraction des métaux de leurs minerais et la synthèse hydrothermale de nanomatériaux à base d’or.

Source
Sulfur radical species form gold deposits on Earth, Gleb S. Pokrovski, Maria A. Kokh, Damien Guillaume, Anastassia Y. Borisova, Pascal Gisquet, Jean-Louis Hazemann, Eric Lahera, William Del Net, Olivier Proux, Denis Testemale, Volker Haigis, Romain Jonchière, Ari Seitsonen, Guillaume Ferlat, Rodolphe Vuilleumier, Antonio Marco Saitta, Marie-Christine Boiron, and Jean Dubessy. Proceedings of National Academy of Science (PNAS), 12 octobre 2015.

Contact scientifique local
– Jean-Louis Hazemann, responsable scientifique de la ligne FAME : Jean-Louis.Hazemann |at| neel.cnrs.fr - 04.76.88.74.07

Cette actualité est également relayée par
– l’Institut National des Sciences de l’Univers du CNRS - INSU