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Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques
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Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

Apr 03, 2015

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Evrard Leloup
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Page 1: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

Chapitre 2: Les éléments en trace

Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les

roches magmatiques

Page 2: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

Eléments en trace: Généralités

Faibles concentrations (ppm)

Fortes variationsTrès sensibles au processus de différentiation

Page 3: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

Eléments en trace les plus utilisés

Métaux de transitionSc, Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu et Zn

Lanthanides (Terres rares)Rb, Sr, Y, Zr, Nb, Cs, Ba, Hf, Ta, Pb, Th et U

Page 4: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

•Eléments majeurs: concentrations controlées par la stoechiométrie des minéraux•Eléments en trace: concentrations controlées par la concentration dans le système et les coefficients de distribution

Si la concentration d’un élément en trace double dans le système, sa concentration double dans toute les phases

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Majeurs TracesD’après cours en ligne de Winter

Page 6: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

Incorporation d’un élément dans un minéral dépend de sa compatibilité avec les sites ioniques de ce minéral.

Deux facteurs contrôlent la compatibilité d’un élément:(1) le rayon ionique de l’élément (2) la valence de l'élément

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Distribution des éléments

Règles de Goldschmidt (simpliste, mais utile)1. 2 ions de même valence et rayon se

substituent facilement et forment une solution solide.

2. Si 2 ions sont de même valence et de rayon similaire, le plus petit est incorporé préfèrentiellement dans le solide.

3. Si 2 ions ont le même rayon mais des valences différentes, l’ion qui a la charge la plus élevée sera incorporé préférentiellement dans le solide.

Page 8: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

Fo - Fa (Mg2SiO4 - Fe2SiO4)

Système Olivine

Fig. 6-10. Isobaric T-X phase diagram at atmospheric pressure After Bowen and Shairer (1932), Amer. J. Sci. 5th Ser., 24, 177-213.

Mg plus petit que Fe

(Mg/Fe)solide > (Mg/Fe)liquide

D’après cours en ligne de Winter

Page 9: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

Echange à l’équilibre d’un élément i entre deux phases (solide et liquide)

i (liquide) ⇆ i (solide)

KD =

KD=Cs/Cl

KD ou D: Coefficient de distribution ou de partage

X solide

X liquide

i

i

D’après cours en ligne de Winter

Page 10: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

Les éléments incompatibles se concentrent dans le liquide

KD ou D « 1

Les éléments compatibles se concentrent dans le solide

KD or D » 1

D’après cours en ligne de Winter

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Plagioclase (An 89) Clinopyroxène (Di 89)

Blundy and Wood, 1994

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Eléments incompatiblesÉléments à potentiel ionique faible

(large ion lithophile elements – LILE) K+ (1.64 Å), Rb+ (1.72 Å), Cs+ (1.88 Å), Sr2+

(1.26 Å), Ba2+ (1.61 Å), Pb2+ (1.29 Å).Eléments mobiles, particulièrement dans les

phases fluidesExceptions:

K et BamicasK et Bafeldspaths alcalinsSrplagioclase

Concentrés dans la croûte

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Eléments incompatiblesÉléments à potentiel ionique élevé

(high field strength elements - HFSE)REE, Zr4+ (0.84 Å), Hf4+ (0.83 Å), Nb5+ (0.64

Å), Ta5+ (0.65 Å), Ti4+ (0.76 Å), Th4+ (1.05 Å).Exception: cristallisation de phases

accessoires (zircon, monazite)Eléments non mobiles

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Eléments en trace compatibles

Eléments petits à faible valence:Ni, Cr, Cu, W, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt et Au

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Table 9-1. Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace

Elements in Basaltic and Andesitic Rocks

Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph MagnetiteRb 0.010 0.022 0.031 0.042 0.071 0.29 Sr 0.014 0.040 0.060 0.012 1.830 0.46 Ba 0.010 0.013 0.026 0.023 0.23 0.42 Ni 14 5 7 0.955 0.01 6.8 29Cr 0.70 10 34 1.345 0.01 2.00 7.4La 0.007 0.03 0.056 0.001 0.148 0.544 2Ce 0.006 0.02 0.092 0.007 0.082 0.843 2Nd 0.006 0.03 0.230 0.026 0.055 1.340 2Sm 0.007 0.05 0.445 0.102 0.039 1.804 1Eu 0.007 0.05 0.474 0.243 0.1/1.5* 1.557 1Dy 0.013 0.15 0.582 1.940 0.023 2.024 1Er 0.026 0.23 0.583 4.700 0.020 1.740 1.5Yb 0.049 0.34 0.542 6.167 0.023 1.642 1.4Lu 0.045 0.42 0.506 6.950 0.019 1.563Data from Rollinson (1993). * Eu3+/Eu2+ Italics are estimated

Rar

e E

arth

Ele

men

ts

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Les coefficients de distribution varient:

Avec la température (D augmente lorsque T baisse)

Avec la composition chimique du liquide

Détermination des coefficients de distribution:•Comparaison « phénocristaux-matrice » de roches volcaniques•Pétrologie expérimentale

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Coefficient de distribution globale D d’une roche:

Di = WA Di

WA = weight % du mineral A dans la roche

Di = coefficient de l’élément i dans lemineral A

A

A

D’après cours en ligne de Winter

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Example: lherzolite à grenat = 60% olivine, 25% orthopyroxene, 10% clinopyroxene, and 5%

DEr = (0.6 · 0.026) + (0.25 · 0.23) + (0.10 · 0.583) + (0.05 · 4.7) = 0.366

Table 9-1. Partition Coefficients (CS/CL) for Some Commonly Used Trace

Elements in Basaltic and Andesitic Rocks

Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph MagnetiteRb 0.010 0.022 0.031 0.042 0.071 0.29 Sr 0.014 0.040 0.060 0.012 1.830 0.46 Ba 0.010 0.013 0.026 0.023 0.23 0.42 Ni 14 5 7 0.955 0.01 6.8 29Cr 0.70 10 34 1.345 0.01 2.00 7.4La 0.007 0.03 0.056 0.001 0.148 0.544 2Ce 0.006 0.02 0.092 0.007 0.082 0.843 2Nd 0.006 0.03 0.230 0.026 0.055 1.340 2Sm 0.007 0.05 0.445 0.102 0.039 1.804 1Eu 0.007 0.05 0.474 0.243 0.1/1.5* 1.557 1Dy 0.013 0.15 0.582 1.940 0.023 2.024 1Er 0.026 0.23 0.583 4.700 0.020 1.740 1.5Yb 0.049 0.34 0.542 6.167 0.023 1.642 1.4Lu 0.045 0.42 0.506 6.950 0.019 1.563Data from Rollinson (1993). * Eu3+/Eu2+ Italics are estimated

Rar

e E

arth

Ele

men

ts

D’après cours en ligne de Winter

Page 19: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

Figure 9-1a. Ni Harker Diagram for Crater Lake. From data compiled by Rick Conrey. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

D’après cours en ligne de Winter

Les éléments en trace lorsqu’ils sont fortement compatible dans un minéral permettent de tracer la cristallisation de ce minéral

Page 20: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

Figure 9-1b. Zr Harker Diagram for Crater Lake. From data compiled by Rick Conrey. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

D’après cours en ligne de Winter

Page 21: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

•La proportion d’un élément en trace dans une phase dépend linéairement de la proportion de l’élément dans le système (Henry’s law).•Pour identifier le comportement d’un minéral, on utilise préférentiellement les rapports d’élément en trace•Exemple:

Amphibole: DK=1; DRb=0.3K/Rb bas suggère une concentration de Rb dans le liquide due à la cristallisation d’amphiboles

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Sr incompatible dans la plupart des phases sauf le plagioclase

Ba incompatible dans la plupart des phases sauf les feldspath alkalins

Comment interpréter une augmentation de Ba/Sr ?

Comment interpréter une diminution du Ba/Sr ?

D’après cours en ligne de Winter

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Utilisation d’éléments compatible: Fractionation de Ni olivine > pyroxene Cr et Sc pyroxenes » olivine Ni/Cr ou Ni/Sc permettent de distinguer la

cristallisation de l’olivine et du Pyroxène

D’après cours en ligne de Winter

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Modèles d’évolution magmatiquesFusion à l’équilibre ou Batch Melting

CL = Concentration en de l’élément en trace dans le liquide

CO = Concentration en de l’élément en trace dans la roche avant fusion

F = fraction de liquide produit = liquide/(liquide + roche)

CC

1Di(1 F) F

L

O

D’après cours en ligne de Winter

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Batch Melting

Di = 1.0 CL/CO = 1

Figure 9-2. Variation in the relative concentration of a trace element in a liquid vs. source rock as a fiunction of D and the fraction melted, using equation (9-5) for equilibrium batch melting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

CC

1Di(1 F) F

L

O

D’après cours en ligne de Winter

Page 26: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

Di » 1.0 (élement compatible)

Faible concentration dans le liquide pour F petit

Figure 9-2. Variation in the relative concentration of a trace element in a liquid vs. source rock as a fiunction of D and the fraction melted, using equation (9-5) for equilibrium batch melting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

CC

1Di(1 F) F

L

O

Batch Melting

D’après cours en ligne de Winter

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Elements fortement incompatible:

Fortement concentré dans la fraction initiale de liquide

Figure 9-2. Variation in the relative concentration of a trace element in a liquid vs. source rock as a fiunction of D and the fraction melted, using equation (9-5) for equilibrium batch melting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

CC

1Di(1 F) F

L

O

Batch Melting

D’après cours en ligne de Winter

Page 28: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

F 1CL/CO 1

CC

1Di(1 F) F

L

O

Figure 9-2. Variation in the relative concentration of a trace element in a liquid vs. source rock as a fiunction of D and the fraction melted, using equation (9-5) for equilibrium batch melting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

Batch Melting

D’après cours en ligne de Winter

Page 29: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

F 0 CL/CO 1/Di

Figure 9-2. Variation in the relative concentration of a trace element in a liquid vs. source rock as a fiunction of D and the fraction melted, using equation (9-5) for equilibrium batch melting. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

Batch Melting

CC

1Di(1 F) F

L

O

D’après cours en ligne de Winter

Page 30: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

Eléments très incompatible: Di 0

C

C1F

L

O

CC

1Di(1 F) F

L

O

donc

D’après cours en ligne de Winter

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Cristallisation à l’équilibreProcessus inverse de la fusion

partielle à l’équilibre (batch meling)

CC

1Di(1 F) F

L

O

CL = Concentration en de l’élément en trace dans le liquide

CO = Concentration en de l’élément en trace dans le liquide avant cristallisation

F = fraction de liquide restant = liquide/(liquide + roche)

D’après cours en ligne de Winter

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Fractionation de Rayleigh Cristallisation fractionée idéalisée:

chaque cristal se sépare du liquide dès qu’il se forme

Concentration des éléments dans le liquide résiduel, CL :

CL/CO = F (D -1)

Equation de Rayleigh

Marche aussi pour la fusion fractionnée

D’après cours en ligne de Winter

Page 33: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

Les Terres Rares (REE)

Page 34: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

Les terres rares sont incompatibles

Table 9-1. Partition Coefficients for some commonly used trace elements in basaltic and andesitic rocks Bulk D calculation

Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph

Rb 0.006 0.02 0.04 0.001 0.1 0.3

Sr 0.01 0.01 0.14 0.001 1.8 0.57

Ba 0.006 0.12 0.07 0.002 0.23 0.31

Ni 14 5 2.6 0.4 0.01 3

Cr 2.1 10 8.4 0.17 10 1.6

La 0.007 0.02 0.08 0.05 0.14 0.27

Ce 0.009 0.02 0.34 0.05 0.14 0.34

Nd 0.009 0.05 0.6 0.07 0.08 0.19

Sm 0.009 0.05 0.9 0.06 0.08 0.91

Eu 0.008 0.05 0.9 0.9 0.1/1.5* 1.01

Tb 0.01 0.05 1 5.6 0.03 1.4

Er 0.013 0.31 1 18 0.08 0.48

Yb 0.014 0.34 0.2 30 0.07 0.97

Lu 0.016 0.11 0.82 35 0.08 0.89

data from Henderson (1982) * Eu3+/Eu2+ Italics are estimated

Rare

Eart

h E

lem

ents

•Etat d’oxidation : 3+ (exception Eu2+ et Ce4+)•Rayon ionique diminue avec l’augmentation du nombre atomic (lanthanide contraction)

•HREE sont moins incompatibles (en particulier dans le grenat)

•Eu 2+ compatible dans le plagioclaseD’après cours en ligne de Winter

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Diagrames REEAxe x: Concentration sur l’ordonnéeAxe y: terre rare avec nombre

atomique croissant Compatibilité augmente de gauche

à droite

Con

cen

trati

on

La Ce Nd Sm Eu Tb Er Dy Yb Lu

D’après cours en ligne de Winter

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-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Atomic Number (Z)

Lo

g (

Ab

un

da

nce

in

CI

Ch

on

dri

tic

Me

teo

rite

) HHe

Li

Be

B

C

N

O

F

Sc

Fe

Ni

Ne MgSi

SCa

Ar

Ti

PbPtSn Ba

VK

NaAlP

Cl

ThU

Elimination de l’ effet Oddo-Harkins en normalisant avec un standard

Chondrites (terre primitive) Estimation du manteau primordial

D’après cours en ligne de Winter

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Model de Batch melting pour une lerzholite à grenat à differents degrés de fusion

Figure 9-4. Rare Earth concentrations (normalized to chondrite) for melts produced at various values of F via melting of a hypothetical garnet lherzolite using the batch melting model (equation 9-5). From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

D’après cours en ligne de Winter

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Table 9-1. Partition Coefficients for some commonly used trace elements in basaltic and andesitic rocks Bulk D calculation

Olivine Opx Cpx Garnet Plag Amph

Rb 0.006 0.02 0.04 0.001 0.1 0.3

Sr 0.01 0.01 0.14 0.001 1.8 0.57

Ba 0.006 0.12 0.07 0.002 0.23 0.31

Ni 14 5 2.6 0.4 0.01 3

Cr 2.1 10 8.4 0.17 10 1.6

La 0.007 0.02 0.08 0.05 0.14 0.27

Ce 0.009 0.02 0.34 0.05 0.14 0.34

Nd 0.009 0.05 0.6 0.07 0.08 0.19

Sm 0.009 0.05 0.9 0.06 0.08 0.91

Eu 0.008 0.05 0.9 0.9 0.1/1.5* 1.01

Tb 0.01 0.05 1 5.6 0.03 1.4

Er 0.013 0.31 1 18 0.08 0.48

Yb 0.014 0.34 0.2 30 0.07 0.97

Lu 0.016 0.11 0.82 35 0.08 0.89

data from Henderson (1982) * Eu3+/Eu2+ Italics are estimated

Rare

Eart

h E

lem

ents

Grenat concentre et fractionne les HREE

⇒ Forte pente en REE et HREE

Fusion partielle superficielle (< 40 km) plagioclase dans le residu et anomalie d’Eu

D’après cours en ligne de Winter

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Anomalie d’Europium :• Fractionation du plagioclase• Fusion partielle d’une source

contenant du plagioclase

Figure 9-5. REE diagram for 10% batch melting of a hypothetical lherzolite with 20% plagioclase, resulting in a pronounced negative Europium anomaly. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

D’après cours en ligne de Winter

Page 40: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

56 58 60 62 64 66 68 70 72

sa

mp

le/c

ho

nd

rite

La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu

67% Ol 17% Opx 17% Cpx

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

56 58 60 62 64 66 68 70 72

sa

mp

le/c

ho

nd

rite

La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu

57% Ol 14% Opx 14% Cpx 14% Grt

0.00

2.00

4.00

6.00

8.00

10.00

sam

ple

/ch

on

dri

te

60% Ol 15% Opx 15% Cpx 10%Plag

La Ce Nd Sm Eu Tb Er Yb Lu

D’après cours en ligne de Winter

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Spider DiagramsExtension des diagrames REE à un spectre plus large d’éléments

Fig. 9-6. Spider diagram for an alkaline basalt from Gough Island, southern Atlantic. After Sun and MacDonough (1989). In A. D. Saunders and M. J. Norry (eds.), Magmatism in the Ocean Basins. Geol. Soc. London Spec. Publ., 42. pp. 313-345.

Incompatiblilté augmente de gauche à droite

Différentes estimations différents arrangements

D’après cours en ligne de Winter

Page 42: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

Spider Diagrams

Fig. 9-6. Spider diagram for an alkaline basalt from Gough Island, southern Atlantic. After Sun and MacDonough (1989). In A. D. Saunders and M. J. Norry (eds.), Magmatism in the Ocean Basins. Geol. Soc. London Spec. Publ., 42. pp. 313-345.

Tous les éléments sont incompatibles, sauf:

•Sr dans le plagioclase

•Y et Yb dans le grenat

•Ti dans la magnétite

D’après cours en ligne de Winter

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Éléments à potentiel ionique faible (large ion lithophile elements – LILE) K+ (1.64 Å), Rb+ (1.72 Å),

Cs+ (1.88 Å), Sr2+ (1.26 Å), Ba2+ (1.61 Å), Pb2+ (1.29 Å).

Eléments mobiles, particulièrement dans les phases fluides

Facilement extrait du manteau et donc concentré dans la croûte continentale

Ba et Rb élevé suggère du métasomatisme ou de la contamination crustale

Fig. 9-6. Spider diagram for an alkaline basalt from Gough Island, southern Atlantic. After Sun and MacDonough (1989). In A. D. Saunders and M. J. Norry (eds.), Magmatism in the Ocean Basins. Geol. Soc. London Spec. Publ., 42. pp. 313-345.

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Table 9-6 A brief summary of some particularly useful trace elements in igneous petrology

Element Use as a petrogenetic indicator

Ni, Co, Cr Highly compatible elements. Ni (and Co) are concentrated in olivine, and Cr in spinel andclinopyroxene. High concentrations indicate a mantle source.

V, Ti Both show strong fractionation into Fe-Ti oxides (ilmenite or titanomagnetite). If they behavedifferently, Ti probably fractionates into an accessory phase, such as sphene or rutile.

Zr, Hf Very incompatible elements that do not substitute into major silicate phases (although they mayreplace Ti in sphene or rutile).

Ba, Rb Incompatible element that substitutes for K in K-feldspar, micas, or hornblende. Rb substitutesless readily in hornblende than K-spar and micas, such that the K/Ba ratio may distinguish thesephases.

Sr Substitutes for Ca in plagioclase (but not in pyroxene), and, to a lesser extent, for K in K-feldspar. Behaves as a compatible element at low pressure where plagioclase forms early, butas an incompatible at higher pressure where plagioclase is no longer stable.

REE Garnet accommodates the HREE more than the LREE, and orthopyroxene and hornblende doso to a lesser degree. Sphene and plagioclase accommodates more LREE. Eu2+

is stronglypartitioned into plagioclase.

Y Commonly incompatible (like HREE). Strongly partitioned into garnet and amphibole. Spheneand apatite also concentrate Y, so the presence of these as accessories could have asignificant effect.

Table 9-6. After Green (1980). Tectonophys., 63, 367-385. From Winter (2001) An Introduction to Igneous and Metamorphic Petrology. Prentice Hall.

Page 45: Chapitre 2: Les éléments en trace Roches magmatiques: Comprendre et modéliser les roches magmatiques.

Figure 9-8. (a) after Pearce and Cann (1973), Earth Planet, Sci. Lett., 19, 290-300. (b) after Pearce (1982) in Thorpe (ed.), Andesites: Orogenic andesites and related rocks. Wiley. Chichester. pp. 525-548, Coish et al. (1986), Amer. J. Sci., 286, 1-28. (c) after Mullen (1983), Earth Planet. Sci. Lett., 62, 53-62.

Réservoirs Mantelliques