Chemical weathering intensity and rare earth elements release from a chlorite schist profile in a humid tropical area, Bengbis, Southern Cameroon

Abstract

Résumé
Un profil d’altération développé sur chloritoschistes de la zone de Bengbis (Sud Cameroun) a été choisi pour quantifier l’intensité de l’altération et comprendre le comportement des terres rares. Les valeurs de l’indice d’altération mafique combinées aux diagrammes ternaires du système Al – Fe – Mg – Ca – Na – K montrent que l’hydrolyse des feldspaths est proportionnelle à celle des minéraux mafiques (pertes en Mg), bien que l’hydrolyse des plagioclases (Ca, Na) soit plus intense que celle des minéraux ferromagnésiens. Les matériaux d’altération étudiés sont localisés dans le domaine de la kaolinitisation, à l’exception des matériaux nodulaires qui sont légèrement latritiss. La modification du comportement du Mg dans le milieu d’altération s’exprime par les faibles valeurs du rapport Ca/Mg. Le potassium et Be sont lessivés dans le sol en association avec Mg. L’ordre de mobilité des éléments dans l’environnement d’altération étudié est : Ca ≈ Na > Fe²⁺ ≈ Sr > Mg ≈ Co > Mn > Li > Ba > Rb > P > Cd > Ni > Si > Be > K > Sn. Les enrichissements en K, Cs et Be dans les saprolites sont liés à la présence d’illite. L’accumulation en Cs dans le sol est due à la présence de kaolinite. Le système le plus stable dans le milieu d’altération étudié est : Hf – Nb – W – U. Les saprolites, les matériaux nodulaires et les matériaux argileux meubles superficiels sont appauvris en terres rares par rapport à la roche mère. Les terres rares présentent trois types de comportement le long du profil d’altération, comme l’indiquent les valeurs du rapport (La/Yb)_N ((La/Yb)_N < 1, (La/Yb)_N ~ 1 et (La/Yb)_N > 1). Les terres rares légères et les terres rares moyennes s’accumulent dans les matériaux d’altération pour des valeurs de pH comprises entre 5,5 et 5,6 et pour celles de Eh variant entre +60 et +70mV. L’ordre de mobilité de ces éléments dans ces matériaux est le suivant : terres rares moyennes > terres rares lourdes terres rares légères. Ce fait est contre-intuitif, car les terres lourdes sont plus mobiles dans les environnemenst supergènes que les terres rares légères. L’adsorption ou la co-précipitation de ces terres rares sur les oxydes de fer peut principalement contrôler la concentration de ces éléments dans le profil d’altération. Les faibles anomalies en Ce dans les matériaux d’altération de la zone de Bengbis, dues au changement de Ce³⁺ en Ce⁴⁺, sont probablement dues à la présence de faibles quantités de rhabdophane. Les matériaux d’altération étudiés présentent un fractionnement en Gd (Gd/Gd* ~0.70 – 0.84) dues à une intense lixiviation. Ce fait a rarement été signalé dans un environnement d’altération latéritique. Il semble qu’une partie de la distribution et de la remobilisation du gadolinium soit contrôlée par des minéraux mafiques dans les matériaux d’altération étudiés. La distribution et la mobilisation des terres rares sont donc contrôlées par (1) l’adsorption ou la coprécipitation dans les minéraux mafiques et Fe, (2) et légèrement par les minéraux contenant des terres rares tels que le rhabdophane, rencontrés dans les matériaux d’altération étudiés.

Abstract

An in situ weathering profile overlying chlorite schists in southern Cameroon was chosen to quantify chemical weathering intensity and to study the behaviour of rare earth elements (REE). Mafic index alteration values combined with the ternary diagrams of the Al – Fe – Mg – Ca – Na – K system show that the hydrolysis of feldspars is proportional to that of mafic minerals (losses in Mg), although the hydrolysis of the plagioclases (Ca, Na) is more intense than that of ferromagnesian minerals. The studied materials are localised in the domain of kaolinitisation, except for nodular materials which are slightly lateritised. The change in the behaviour of Mg in the weathering environment is expressed by the low values in Ca/Mg ratio. Potassium and Be are leached in the soil in association with Mg. The order of mobility of the elements in the weathering environment is: Ca ≈  Na > Fe²⁺ ≈ Sr > Mg ≈ Co > Mn > Li > Ba > Rb > P > Cd > Ni > Si > Be > K > Sn. The enrichments in K, Cs and Be in saprolites are linked to the presence of illite. Cesium accumulation in the soil is due to the presence of kaolinite. The most stable system is: Hf – Nb – W – U. Saprolites, nodular and loose clayey materials are depleted in REE relative to the parent rock. REE exhibit three types of behaviour along the Bengbis profile like indicated by (La/Yb)_N ratio values ((La/Yb)_N < 1, (La/Yb)_N ~ 1 and (La/Yb)_N > 1). Light REE and Middle REE accumulate in the weathering materials for pH values ranging between 5.5 and 5.6 and for those of Eh varying between +60 and +70mV. The order of mobility of REE in these horizons is: Middle REE > Heavy REE ≈ Light REE. This fact is counter-intuitive, because Heavy REE are more mobile in supergene environment than Light REE. Adsorption or co-precipitation of LREE onto Fe oxides mainly may control the concentration of these elements in the profile. Weak Ce anomalies in the weathering materials of Bengbis area, due to the change in Ce³⁺ to Ce⁴⁺, are probably due to the presence of low amounts in rhabdophane. The studied weathering materials show a fractionation in Gd (Gd/Gd* ~0.70 – 0.84) due to intense chemical leaching. This fact has been rarely reported in lateritic weathering environment. It appears that, a part of Gd distribution and remobilization is controlled by mafic minerals in the studied weathered materials. REE distribution and mobilization are thus controlled by (1) adsorption or co-precipitation in mafic and Fe minerals, (2) and slightly by REE-bearing minerals such as rhabdophane found in the studied weathering profile.