LES TRANSFORMATIONS MINERALES DU facis mtamorphiques sont des domaines de l’espace pression-temprature. L’association de minraux stables dans un facis constitue une

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  • ST/Partie VII/Chapitre VII.B

    Montaigne/2BCPST2/15-16

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    - LES TRANSFORMATIONS MINERALES DU METAMORPHISME

    Introduction :

    A ct des dformations (transformations structurales), les roches peuvent

    aussi avoir subi des transformations minralogiques.

    Nous ne nous intresserons dans ce chapitre quaux transformations minrales

    ne remettant pas en cause ltat physique de la roche ; ce titre, diagense

    et altration ne seront pas abordes alors que des transformations minrales y

    ont aussi cours.

    renvoi vers le chapitre VI.A consacr laltration

    renvoi galement au chapitre I.A dans lequel il est question des transitions

    minralogiques des pridotites du manteau

    Alors que laltration procde dun rquilibrage minralogique des roches aux

    conditions thermodynamiques (Patm, Tsurface) et aux conditions chimiques de la

    surface (H20), ce chapitre sintresse aux transformations minrales subies par

    les roches au cours de leurs cheminements divers en profondeur dans le cadre

    des grands processus de la godynamique lithosphrique.

    Problmes :

    1. Comment mettre en vidence ces transformations ? 2. Comment la ptrologie exprimentale permet-elle de prciser les

    contextes (P,T) propices au droulement des transformations

    minrales ?

    3. Comment tirer profit de leur tude ? - comment dater les diverses transformations minrales ?

    - comment relier une succession de contextes (P,T), un chemin

    (P,T,t) un contexte godynamique ?

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    I. MISE EN EVIDENCE DE TRANSFORMATIONS MINERALES A

    DIFFERENTES ECHELLES

    - exploiter les donnes de documents photographiques

    1.1. A lchelle de lchantillon : roche / lame mince

    Etude dun exemple (planche 1)

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    Commentaire : une roche grenue pyroxne et plagioclase : un gabbro ; autour

    des pyroxnes et au contact des plagioclases, une couronne sombre

    damphibole de type hornblende (Hb).

    Hb : minral hydroxyl chimie composite entre pyroxne et plagioclase

    Ide dune raction entre ces deux minraux Clinopyroxne + plagioclase + eau Hornblende

    Et de son intgration probable un contexte dhydrothermalisme

    ocanique, mtamorphisme hydrothermal :

    - analyser et exploiter les reprsentations cartographiques du mtamorphisme

    1.2. A lchelle rgionale partir de cartes (planches 2 et 3, cf.TP)

    - partir dexemples de mtamorphisme de contact (Slestat, Cond sur

    Noireau, Cherbourg, etc.)

    - partir dexemples de mtamorphisme plus gnral (Tulle, Brive, St Girons,

    Largentire, etc.)

    - et des donnes de la carte au 1/106.

    cf. sances de TP consacres aux cartes mais bien sr aussi aux

    roches (planche 4)! Rappel objectif du programme : - identifier lil nu des roches mtamorphiques : schiste, micaschiste, gneiss, clogite, migmatite, marbre ; dautres roches peuvent tre prsentes (cornennes, amphibolites), mais leur reconnaissance macroscopique nest pas exigible.

    BILAN : dfinition du mtamorphisme

    Transformations minralogiques mais aussi structurales subies par une

    roche ltat solide sous leffet du changement de pression et de

    temprature

    Gabbros ocaniques

    (Po,To) , anhydres Mtagabbros

    Des minraux

    reliques

    protolithes

    Des minraux

    noforms

    reflets de Po,T1

    EAU

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    II. LES ASSOCIATIONS MINERALOGIQUES INDICATRICES DE

    PRESSION ET DE TEMPERATURE

    Une roche de composition donne expose un changement de temprature et/ou de pression est le sige de transformations minralogiques. Ces transformations sont rgies par les lois de la thermodynamique et de la cintique chimique. Les facis mtamorphiques sont des domaines de lespace pression-temprature. Lassociation de minraux stables dans un facis constitue une paragense lquilibre. Ces assemblages dpendent de la nature de la roche originelle (protolithe). Des gobaromtres et des gothermomtres sont constitus par des ractions univariantes du mtamorphisme, des minraux index et par la distribution de certains lments chimiques dans les phases minrales.

    2.1. Les ractions du mtamorphisme : diversit de formes

    a) Sans intervention de fluide dans le bilan chimique

    Ractions de transfert : elles correspondent un transfert de matire dun site lautre des ractants vers les produits en ne concernant que

    des phases solides.

    Exemples :

    o albite jadite + quartz : NaAlSi3O8 NaAlSi2O6 + SiO2

    plagioclase clinopyroxne

    o anorthite grenat + disthne + quartz (volution htes pressions de lanorthite)

    CaAl2Si2O8 Ca3Al2Si3O12 + Al2SiO5 + SiO2

    Cas particulier : les ractions polymorphiques ou transitions de phase,

    ractions de transfert avec un seul ractant et un seul produit.

    Exemples :

    o quartz quartz calcite aragonite

    graphite diamant (diamant phase de profondeur du C dans le

    manteau)

    transitions de lolivine dans le manteau

    andalousite sillimanite systme des silicates

    dalumine (cf. 2.2.a)

    disthne (kyanite)

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    Remarque : Les ractions de transfert peuvent aussi impliqus des

    composs volatils sans que ceux-ci ne soient consomms ou dgags :

    ils sont alors juste changs.

    Ractions dchange : elles caractrisent un change rciproque dlments entre plusieurs minraux.

    Exemple : Fe Mg entre grenat et biotite (cf. 2.2.c):

    Biotite(Mg) + Grenat (Fe) Biotite(Fe) + Grenat (Mg)

    phlogopite almandin annite pyrope

    b) Avec intervention de fluide dans le bilan chimique

    Il peut sagir de ractions impliquant lentre deau externe aux ractifs.

    Cest par exemple le cas des ractions hydrothermales.

    Cela est bien sur le cas du mtamorphisme hydrothermal au voisinage

    des dorsales ocaniques avec intervention deau de mer, mais il peut

    sagir aussi de ractions se droulant en profondeur dans la crote le

    long de fissures canalisant des fluides expulss par dautres ractions

    plus profondes de dshydratation

    Il peut sagir de ractions impliquant la libration deau dans des processus de dshydratation

    Exemples :

    o muscovite + quartz sillimanite + feldspath K + eau KAl3Si3O10(OH)2 + SiO2 Al2SiO5 + KAlSi3O8 + H2O

    o ou encore les ractions de dshydratation des minraux ferro-magnsiens de la crote ocanique lors de son enfouissement en

    subduction

    Cest par de transfert : elles correspondent un transfert de matire dun site lautre des ractants vers les produits en ne concernant que

    des phases solides.

    Exemples :

    o albite jadite + quartz : NaAlSi3O8 NaAlSi2O6 + SiO2

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    2.2 Minraux index, grilles ptrogntiques ; gobaromtres et

    gothermomtres

    a) un exemple simple pour (re)dcouvrir le principe des minraux index et

    des limites des champs de stabilit des minraux : le systme des silicates

    dalumine Al2SiO5

    Cf. planche 5

    - 3 formes minrales de nsosilicates diffrentes par la compacit de lassemblage de leurs structures ttradriques.

    - Etude au laboratoire : o Autoclave : dtermination des domaines P,T dans lesquels

    chacune de ces 3 formes est stable

    o Dtermination des paramtres (entropie molaire, volume molaire) permettant de dterminer les limites de costabilit

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    b) gnralisation : minraux index, ractions univariantes et grilles

    ptrogntiques

    planche 3

    certains minraux peuvent servir dindex baromtriques cordirite : BP dans la grille KFMASH jadite : HP, cosite : THP

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    dautres minraux dindex thermomtriques Sillimanite seule, ou en association avec la disparition de la muscovite

    et lapparition du feldspath potassique

    Grenat de la grille KFMASH

    de mme la coexistence dassociations minrales rassemblant les phases solides dune mme raction mtamorphiques permet de positionner le

    systme chimique le long de la ligne univariante (plus justement dans son

    voisinage) qui caractrise cette raction.

    Si dans une mme roche ceci peut tre fait avec plusieurs associations

    minrales, il est alors possible de contraindre plus fortement les conditions

    P,T qui ont prsid leur dveloppement.

    MAIS encore faut-il sassurer que ces associations minrales tmoignent

    dun mme pisode mtamorphique, soient relativement synchrones

    Les minraux index ont aussi servi dfinir des zones sur le terrain et sur carte via la notion de degr mtamorphique et disograde.

    - analyser et exploiter les reprsentations cartographiques du mtamorphisme

    cf. cartes au 1/50000me dj cites Degr mtamorphique : dans une rgion donne, il est frquent dtablir

    une zonation par la prsence certains endroits de minraux index. La

    succession des zones dun endroit un autre permettait de dfinir une

    direction de mtamorphisme croissant ; historiquement les zones ont t

    tablies par des minraux indicateurs de T car on pensait alors que

    ctait le facteur