Assessing apatite cathodoluminescence as a tool for sourcing oolitic ironstones

La cathodoluminescence (CL) est un processus au cours duquel de la lumière visible est émise par des minéraux lorsqu’ils sont bombardés par un faisceau d’électrons énergétiques. Des défauts cristallins et des impuretés chimiques peuvent soit activer ou inhiber la CL en fonction de leur nature et de leur concentration. Mn²⁺, Ti⁴⁺, Fe³⁺, Cr³⁺, Eu²⁺ and REE³⁺ (terres rares) sont des exemples d’activateurs dans beaucoup de minéraux tandis que Fe2+ est un inhibiteur courant. De légères variations dans la composition en éléments en traces ou en défauts cristallins mènent fréquemment à un changement très notable de l’émission CL, qui peut alors être utilisée comme une empreinte génétique dans les problèmes de provenance. Une émission CL intense et colorée est presque omniprésente dans l’apatite, qui est un minéral accessoire très commun dans les oolites ferrugineuses. La raison est que l’apatite est un bon piège pour Mn²⁺ et les terres rares (qui sont activateurs de la CL) mais pas pour Fe²⁺ (qui est inhibiteur).

Nous documentons ici l’étude d’oolites ferrigineuses du Dévonien supérieur de Saint-Ghislain, Vezin-Sclaigneaux, Couthuin, Aisémont et Boosichot (Belgique). Nous avons trouvé des différences significatives en ce qui concerne le cathodofaciès et l’émission spectrale du phosphate de calcium dans ces roches, qui pourraient être utilisées pour retrouver les zones d’approvisionnement de ces matériaux. Dans l’oolite ferrugineuse, le phosphate de calcium se présente sous la forme 1) d’une masse fine et disséminée, 2) de dépôts diagénétiques dans les vides de la roche et en remplacement de minéraux déjà présents, 3) de lamines d’oolites, 4) de bioclastes (dont des conodontes), et, moins fréquemment 5), de grains détritiques. L’apatite diagénétique montre la plus grande variabilité des caractéristiques de CL. À Saint-Ghislain, elle présente une séquence diagénétique complexe qui consiste en une phase à CL rose à bleue suivie de phases rouge, jaune, vert-bleu et vert. à Couthuin, la sequence est moins complexe et consiste en une phase à CL bleue suivie d’une phase orange à rose. à Vezin, une séquence similaire est observée à l’exception d’une phase intermédiaire verte. De plus, l’apatite s’y trouve préférentiellement en remplacement de feldspaths, l’espace intergranulaire étant plutôt occupé par du quartz et/ou de la calcite diagénétiques. à Aisémont, l’apatite se trouve dans des lamines d’oolithe et en remplacement de bioclastes calcaires. Elle y montre une luminescence bleu profond qui peut se changer en vert sans qu’il y ait de véritable séquence chronologique de dépôt. Un échantillon d’oolite ferrugineuse standard provenant de l’Alabama, Etats-Unis, a également été étudié à titre de comparaison. Aucune séquence diagénétique nette n’a été reconnue mais l’apatite montre une luminescence vert pâle significativement différente des autres.

Nos résultats montrent que tous les échantillons analysés peuvent être distingués sur base de leurs caractéristiques CL. Cette technique pourrait donc fournir une signature unique et peut dès lors être considérée comme un outil puissant pour l’analyse de provenance des oolithes ferrugineuses et d’autres matériaux. Elle supplémente les autres techniques conventionnelles comme la microscopie optique et électronique tout en faisant le lien entre la pétrographie et la géochimie.