Localisé dans la partie centrale de la ligne volcanique du Cameroun, le lac Nyos se trouve à 25 km à l'ouest de la ville de Wum (province du Nord-Ouest) et à environ 250 km au NNE du mont Cameroun.

Le cratère d'origine phréatomagmatique qu'il occupe, à parois très verticales, est entaillé dans le substratum granitique précambrien et cerné par des dépôts pyroclastiques. Un événement strombolien a émis une coulée basaltique vers le nord-ouest. La formation du maar a été datée à 400 ans BP par ¹⁴C sur des bois carbonisés associés aux scories stromboliennes [7], mais cet âge a été remis en cause et serait de plusieurs milliers d'années [2].

Douze échantillons ont été analysés à la microsonde électronique (Camebax SX 100) en mode WDS. L'étude des textures a été conduite à partir des images de répartition de Na, Mg, Al et Ca corrélées avec le logiciel Multispec (© Purdue Research Foundation). La composition modale a été obtenue après une classification par maximum de vraisemblance. Les éléments en trace des clinopyroxènes et des amphiboles ont été dosés par ICP-MS, couplé à un système d'ablation laser.

Les incertitudes données ci-après sont calculées avec une confiance de 95 %.

Les enclaves mantelliques de Nyos possèdent une texture le plus souvent protogranulaire à gros grain (> 1 cm) ou à grain fin (< 5 mm) ; les cristaux d'olivine et d'enstatite ont des contours courbes et présentent parfois des sous-grains. Les joints des cristaux millimétriques sont souvent plans et délimitent des points triples, à la différence des minéraux de grande taille, qui ne montrent aucune fabrique. Quatre échantillons présentent cependant des caractères intermédiaires entre la structure protogranulaire et la structure porphyroclastique, avec des grains allongés et la présence de néoblastes autour des grands cristaux. Ces différentes textures ne semblent pas corrélées à la nature pétrographique de la roche.

Les enclaves sont de nature ultramafique. Elles présentent une large gamme de composition (Fig. 2) et se regroupent en deux catégories, avec quelques échantillons mixtes en cours d'étude : (i) des péridotites, représentées par des lherzolites et des harzburgites, et (ii) des pyroxénites, uniquement constituées de webstérites à olivine.

À côté des minéraux cardinaux olivine, enstatite et diopside, la paragenèse est systématiquement complétée par du spinelle et, de façon fréquente, par de l'amphibole. Tous les minéraux tendent mutuellement à l'équilibre, puisqu'ils constituent ensemble des plages ayant une texture à joints triples. Les cristaux d'olivine (Fo 89-91) montrent peu de variations d'un type d'enclave à l'autre. L'orthopyroxène, qui contient occasionnellement de fines lamelles d'exsolution de clinopyroxène, ne varie pas davantage (En = 91 ± 0,5 % ; Al₂O_3. = 4 ± 0,3 %), à l'inverse du clinopyroxène, un diopside chromifère dont la composition est significativement différente d'un faciès à l'autre. Ces variations concernent tous les éléments. Ainsi, les éléments majeurs MgCaFe (Fig. 3a) divisent les échantillons en trois groupes : les harzburgites (H, En_48,4±0,2Wo_47,3±0,3Fs_{4,3 ±0,1}), les webstérites (W), très similaires aux lherzolites (L, En_49,2±0,3Wo_45,8±0,4Fs_5±0,2) et une lherzolite (NY-23), avec En_49,9±0,2Wo_43,2±0,3Fs_6,8±0,1. Ces regroupements sont confirmés par un diagramme aluminium en fonction de [Mg] = Mg/(Mg + Fe_t) (Fig. 3b), qui, en outre, sépare nettement les lherzolites L des webstérites. La teneur en Al est croissante des harzburgites (0,224 ± 0,004 afu) aux webstérites (0,270 ± 0,004 afu), lherzolites L (0,280 ± 0,004 afu) et NY-23 (0,294 ± 0,04 afu). Le comportement du chrome est globalement inverse : sa teneur est faible dans NY-23 (0,71 ± 0,03 %) et très élevée dans la harzburgite NY-08, avec 1,5 ± 0,06 %. Une webstérite (NY-03) se distingue par son diopside très pauvre en chrome (0,43 ± 0,04 %).

Le spinelle, fréquemment associé à l'amphibole lorsque celle-ci est présente, montre lui aussi des variations de composition, cohérentes avec celles décrites précédemment : alumineux dans les lherzolites (Cr/Cr + Al = 0,10), il devient de plus en plus chromifère des webstérites (0,18) aux harzburgites (0,33). Là encore, la webstérite NY-03 se distingue par un spinelle peu chromifère (0,06).

Les amphiboles sont des pargasites qui présentent des variations de composition d'un faciès à l'autre, analogues à celles des autres minéraux. Elles sont relativement ferrifères, titanifères et pauvres en chrome dans la lherzolite NY-23 (Mg^* = 86 %, TiO₂ = 3,1 %, Cr₂O₃ = 1 %), ou bien magnésiennes, chromifères et pauvres en titane dans les harzburgites (Mg^* = 89 %, TiO₂ = 0,35 %, Cr₂O₃ = 2,3 %).

La composition en éléments traces des clinopyroxènes et des amphiboles, lorsqu'elles sont présentes, a été déterminée dans six échantillons, deux pyroxénites et quatre lherzolites. Aucune différence systématique dans les teneurs en éléments traces n'a été relevée entre ces deux types de roches.

Les compositions en terres rares des minéraux sont présentées sur la Fig. 4 et montrent une grande hétérogénéité d'un échantillon à l'autre.

À l'exception des échantillons NY-05 et NY-23, tous les minéraux présentent des spectres de terres rares lourdes plats, avec des valeurs environ 10 fois supérieures à celles de la chondrite et un appauvrissement en terres rares légères plus ou moins marqué. Ces compositions appauvries ont déjà été observées dans d'autres localités du Cameroun [5]. Pour les échantillons NY-03 et NY-10, les teneurs en terres rares des clinopyroxènes et des amphiboles sont très voisines, montrant ainsi que ces minéraux sont à l'équilibre, comme cela a déjà été mis en évidence dans un échantillon de webstérite à grenat et amphibole provenant d'une autre localité [5].

Parmi les échantillons appauvris en terres rares légères, plusieurs d'entre eux sont aussi caractérisés par un enrichissement en terres rares les plus incompatibles (La, Ce, éventuellement Pr). Cet enrichissement est visible dans un grain de clinopyroxène de l'échantillon NY-10, mais apparaît surtout caractéristique de tous les clinopyroxènes de l'échantillon NY-07.

La pyroxénite NY-03 montre un enrichissement en terres rares légères, variable dans les différents grains analysés. Visible uniquement sur le lanthane pour certains clinopyroxènes, cet enrichissement affecte aussi le cérium et éventuellement le praséodyme dans certains clinopyroxènes et certaines amphiboles. Il est similaire, mais moins prononcé, que les clinopyroxènes de lherzolites à spinelle analysés par Lee et al. [5].

Les échantillons NY-05 et NY-23 diffèrent par un enrichissement très marqué en terres rares légères et intermédiaires, alors que les concentrations en terres rares lourdes sont identiques à celles des autres échantillons.

La nature variée des enclaves et les compositions en éléments majeurs et en éléments traces de leurs minéraux mettent en évidence une grande hétérogénéité du manteau à l'aplomb du lac Nyos. L'appauvrissement en terres rares légères, présent dans la plupart des échantillons, résulte sans doute d'un épisode antérieur de fusion partielle. L'absence de fractionnement chimique au niveau des terres rares lourdes indique que cette fusion s'est produite dans le faciès des lherzolites à spinelle. Elle a permis l'appauvrissement de certains échantillons en clinopyroxène et la formation de harzburgites contenant des clinopyroxènes appauvris en Al. Cette fusion partielle, produite à un taux élevé et à relativement faible profondeur, a déjà été mise en évidence dans quelques autres xénolites du Cameroun et pourrait être liée aux événements panafricains [6]. Le fait que les webstérites soient aussi affectées par cette fusion montre que leur formation est antérieure à ces événements panafricains.

L'enrichissement plus ou moins important des clinopyroxènes et des amphiboles en terres rares les plus incompatibles témoigne de l'interaction de ces roches avec un fluide métasomatique lui-même enrichi en ces éléments. Les variations de composition entre les différents grains de clinopyroxène ou d'amphibole, observées par exemple dans l'échantillon NY-03, indiquent l'existence d'hétérogénéités chimiques d'échelle centimétrique, sans doute reliées à l'évolution de la composition chimique du fluide au cours de la percolation à travers le manteau.

Les fortes teneurs en Al des clinopyroxènes de l'échantillon NY-23 et, dans une moindre mesure, de NY-05 indiquent que ces échantillons n'ont pas été affectés par un important degré de fusion partielle avant leur enrichissement en éléments incompatibles. Ces deux échantillons ont des caractéristiques chimiques tout à fait singulières, qui les distinguent nettement de tous les autres. Dans le diagramme Th=f(La) (Fig. 5), ils montrent de très fortes valeurs de La (> 6 ppm) pour des teneurs en Th inférieures à 0,5 ppm pour NY-23, et comprises entre 0,2 et 1 ppm pour NY-05. À l'opposé, les autres échantillons analysés présentent de faibles teneurs en La (< 4 ppm), corrélées à des concentrations en Th qui peuvent dépasser 1,5 ppm dans NY-03.

Ces données mettent donc en évidence deux types d'enrichissements en éléments traces dans cette portion du manteau ouest-africain. La plupart des échantillons présentent un faible enrichissement en terres rares légères, mais de fortes teneurs en U et Th. NY-05 et NY-23 ont, au contraire, été enrichis par des fluides très riches en terres rares, mais moins riches en U et Th et appauvris en Zr et Hf, comme le montre le diagramme Zr*=f(La) en médaillon dans la Fig. 5.

Dans leur étude de quelques xénolites provenant de différentes localités du Cameroun, Lee et al. [6] ont mis en évidence l'existence d'un métasomatisme postérieur à l'épisode de fusion partielle, qu'ils ont relié à la fragmentation précoce de la Pangée. Ces deux épisodes sont enregistrés sous le lac Nyos par l'appauvrissement en terres rares légères, suivi du métasomatisme riche en U et Th des échantillons NY-03, 04, 07 et 10.

En revanche, les compositions atypiques des lherzolites NY-05 et NY-23 n'avaient jamais été reportées et pourraient être reliées aux épisodes volcano-tectoniques récents ayant conduit à la mise en place de la ligne volcanique du Cameroun.