L’analyse du m etamorphisme -...

Introduction et bibliographie Regle des phases et degres de liberte Diagrammes triangulaires

L’analyse du metamorphismeEVI 883 - Geodynamique de la France

Cyril Langlois

Universite Bordeaux 1

1er avril 2008

Cyril Langlois Universite Bordeaux 1

L’analyse du metamorphisme


Bibliographie

References bibliographiques

Bonin B., La petrologie. Collection 128, Nathan Universite, 1999.

Kornprobst J., Metamorphisme et roches metamorphiques. Dunod,2001.

Pons J.-C., La petro sans peine 2 - mineraux et rochesmetamorphiques. Editions du CRDP, academie de Grenoble,Collection Focus, 2001.




Definitions et limites du metamorphisme

Le metamorphisme

I « Le metamorphisme est l’ensemble des transformations quientraınent un rearrangement a l’echelle atomique des elements d’uneroche, conduisant a une recristallisation a l’etat solide (en presenceou non d’une phase vapeur), sous l’effet de variations detemperature, de pression ou composition. » J. Kornprobst [2].

I « Transformation d’une roche a l’etat solide du fait d’une elevationde temperature et/ou de pression, avec cristallisation de nouveauxmineraux, dits neoformes, et acquisition de textures et structuresparticulieres, sous l’influence de conditions physiques et/ouchimiques differentes de celles ayant preside a la formation de laroche originelle. » J. Foucault et A. Raoult, Dictionnaire de geologie.




Definitions et limites du metamorphisme

Metamorphisme et diagenese




Facies et sequences metamorphiques

Facies metamorphiques et conditions P-T

DefinitionOn appelle facies metamorphique l’ensemble des assemblagesmineralogiques correspondant aux memes conditions de pression et detemperature.

Les facies ont ete definis sur la base des assemblages observes dans lesroches issues d’un protolithe basique (metabasites).





Facies metamorphiques et conditions P-T





Sequences para- et ortho-derivees

DefinitionOn appelle sequence une famille de roche metamorphiques decompositions voisines correspondant a un meme protolithe general maisayant atteint des grades metamorphiques differents.






I Les sequences paraderivees comprennent des roches de protolithesedimentaire.

I Sequence pelitique : argilites - micaschistes a 2 micas - granulitesacides ;

I Sequence arenacee : gres - quartzite - (para)gneiss - granulitesacides ;

I Sequence carbonatee : calcaires / dolomies - marbres a mineraux(cipolin) - granulites carbonatees ;

I Sequence marneuse : marnes - schistes a calcite/chlorite/sericite -granulites basiques.






I Les sequences orthoderivees regroupent les roches de protolithemagmatique.

I Sequence volcanique acide : rhyolite - meta-rhyolites - orthogneiss(ortho-leptynites) - granulites acides ;

I Sequence volcanique basique : basaltes - meta-basaltes -amphibolites - granulites basiques ;

I Sequence plutonique acide : granite - meta-granites - amphibolites -granulites acides ;

I Sequence plutonique basique : gabbros - meta-gabbros - amphibolites- granulites basiques.




La regle des phases

Regle des phases

Definition

v = c + 2− φ

I v, nombre de degresde liberte du systeme ;

I c, nombre deconstituants enpresence ;

I φ nombre de phases ;

I le nombre 2correspond auxvariables P et T.

I v = 0 : aucun degre de liberte. T, P etcomposition chimique du systeme sontfixees. Sur un diagramme de phase, lesysteme se trouve en un point invariant.

I v = 1 : un degre de liberte. Toutevariation de P, T ou composition impliqueune variation determinee des deux autresparametres. Pour P fixee, les changementsde T et de composition sont correlees : lesysteme evolue sur une courbe.

I v = 2 : deux degres de liberte. Pour P(resp. T) fixee, la composition du systemepeut evoluer dans un champ 2D si T (resp.P) change.




Systeme metamorphique

Principe d’analyse des systemes metamorphiques

I Une paragenese metamorphique correspond a un systeme divariant(P et T peuvent varier sans que la composition mineralogique nechange) ;

I D’apres la regle des phases, cela signifie v = 2⇒ c = φ ;

I Une methode pratique d’analyse des reactions metamorphiques estla representation des parageneses dans des diagramme triangulaires.




Diagramme de phases

Equation des courbes d’equilibre

I Energie interne U : fonction d’etat exprimant l’energie strictementelectrostatique, somme des energies de liaison entre atomes.

I Si T � T+dT, l’agitation des atomes ^, le corps emmagasine de lachaleur δQ = T.dS, dS variation d’entropie.

I Si P ^, les atomes sont comprimes ⇔ travail δW = -P.dV.

I Enthalpie H : fonction d’etat dont la variation dH represente laquantite de chaleur mise en jeu pendant la transformation isobared’un systeme, au cours de laquelle celui-ci recoit ou fournit untravail mecanique.

H = U + PV




Diagramme de phases


I Enthalpie libre G : fonction d’etat dont la variation dG represente letravail echange par le systeme avec son environnement, moins letravail des forces de pression, au cours d’une transformationreversible.

G = H − TS = U + PV − TS

I Une reaction chimique ne peut progresser que si l’enthalpie libre dusysteme reactionnel diminue. Le systeme est a l’equilibre lorsque Gest minimale.

dU, dH, dG

dU = δW + δQ = −P.dV + T .dS

H = U + PV ⇔ dH = P.dV + T .dS

G = H − TS = U + PV − TS ⇔ dG = VdP − S .dT




Diagramme de phases


Soit une transformation entre deux especes A (volume molaire VA,entropie molaire SA, enthalpie libre molaire GA) et B (VB , SB , GB).

Evolution de l’enthalpie libre G(T,P)

Equilibre de deux phases A et B ⇔ ∆G = GB − GA = 0.

I Sur la courbe d’equilibre, ∆G reste nul quand P et T changent.

I Si P et T varient de petites quantites dP et dT, A et B ne coexistentque si d(∆G ) = 0.




Diagramme de phases


Evolution de l’enthalpie libre G(T,P)

d(∆G ) = d(GB − GA) = d(∆V ).dP − d(∆S).dT

d(∆G ) = 0⇔ dP

dT=

(∆S)A−B

(∆V )A−B

Equation de Clapeyron

∆S , variation d’entropie molaire, ∆V variation de volume molaire entreles phases A et B.




Diagramme de phases


I Hors de la courbe d’equilibre (d∆G = 0), la phase minerale stableest celle dont G est la plus faible ;

I Quand T ^, ∆S ^ : le desordre de la phase minerale augmente ;

I Quand P ^, en general ∆V _ : le volume molaire de la phaseminerale diminue ⇒ la masse volumique de la roche augmente.




Les triangles ACF-A’KF

Diagrammes ACF-A’KF

I Representation des compositions chimiques des roches, desassociations minerales stables et des reactions entre especesminerales a l’aide de trois poles, definis a partir de plusieurs elementsmajeurs (exprimes en moles d’oxydes).

I Les phases non caracteristiques des equilibres (mineraux cardinauxubiquistes et mineraux accessoires) ne sont pas consideres (p. ex :SiO2, NaAlSi3O8).

I ACF : Fe et Mg sont consideres comme un meme pole ; diagrammeinteressant pour les roches basiques ;

I A’KF : interessant pour representer les roches riches en Ca et K,comme les metapelites.






Diagramme ACF :

I A = ([Al2O3] +[Fe2O3]) - ([Na2O] +[K2O])

I C = [CaO] -3,3 [P2O5] (correction

du Ca de l’apatite)

I F = [FeO] + [MnO]+ [MgO]

I A + C + F = 100 %






Diagramme A’KF :

I A’ =([Al2O3] + [Fe2O3]) -([CaO] + [Na2O] +[K2O])

I K = [K2O]

I F = [FeO] + [MnO]+ [MgO]

I A’ + K + F = 100 %




Autres exemples de diagrammes triangulaires

Diagrammes CaO-SiO2-MgO

I Diagramme permettantde representer les rochescarbonatees ;

I Les trois poles sont lequart, SiO2, le calcium(CaO) et le Magnesium.




Projections et simplifications

Diagrammes triangulaires et compositions reelles

I Les roches reelles ne se reduisent pas a trois phases ;

I On doit donc considerer des systemes a plus de trois phases ;

I Ces systemes sont representes par des polygones ;

I Les points representatifs des roches et des mineraux sont representesen 2D par projection sur une face du polygone.





Diagrammes AFM

I Projection sur le plan AFM descompositions situees dans letetraedre Al2O3 - FeO - MgO -K2O (en moles), a partir dupoint representatif de lamuscovite (Ms) ;

I La muscovite, le quartz et l’eausont en exces ;

I Ni CaO ni Na2O ne sontconsideres : les compositions sont

corrigees des quantites de plagioclase

et de mica blanc sodique

eventuellement presents dans les

roches considerees ;

I Les compositions situees dansl’espace Ms-A-F-M sontprojetees dans le triangle AFMou sur la limite FM ;

I Les compositions situees dansl’espace Ms-F-M-0,25 K2O sontprojetees hors du triangle ;

I Les compositions pour lesquellesK2O > 0,25 sont projetees al’infini (cas du feldspathpotassique et des roches richesen FK ).





Diagrammes AFM

Rq : Pour lesmetapelites et gneiss defacies amphibolite etgranulite, hors duchamp de stabilite de lamuscovite, la projectionest realisee a partir dupoint representatif del’orthose.





Diagrammes AFM




Representation des transformations

Parageneses et equilibres

I Dans les diagrammes, les mineraux en presence sont relies par desdroites definissant des triangles ;

I Si deux droites se croisent, leur intersection correspond a unmaximum thermique ; il implique que les mineraux relies ne peuventpas coexister : une reaction a lieu.





Exemple : metamorphisme des carbonates

On part d’un assemblage sedimentaire carbonate a P ∼ 3 kbar, enpresence d’eau et de CO2 (diagramme de gauche) :

I Les phases en presence sont le quartz (Q), la calcite (C), la dolomite(D) et la magnesite (M) ;

I Vers 400˚C, le talc (Tc), Mg3Si4O10(OH)2, se forme par lareaction :

3M + 4Q + H2O = Tc + 3CO2

I Le point representatif du talc apparaıt sur la ligne Q-M (en rouge) ;

I La reaction se poursuit, la magnesite, qui n’est plus stable enpresence de quartz, disparaıt ; talc et dolomite coexistent, unenouvelle ligne relie Tc et D.

D’apres S. Dutch, http ://www.uwgb.edu/dutchs/PETROLGY/METPHASE.HTM






∼ 400˚C






I Vers 450˚C, la dolomite devient instable en presence de quartz etdisparaıt par la reaction ;

D + 4Q + H2O = Tc + 3C + 3CO2

I La ligne Q-D disparaıt, il n’y a que 4 phases a l’equilibre (figure dumilieu) ;

I La reaction se poursuit : talc et calcite coexistent, une nouvelle ligneles joint.






∼ 450˚C






I Vers 500˚C, quartz, calcite et talc reagissent pour former latremolite, dont le point apparaıt (en rouge) ;

I De nouvelles lignes joignent les phases en presence : Tr-C, Tr-Q,Tr-Tc.






∼ 500˚C






I A plus haute temperature, talc et calcite reagissent : la ligne C-Tcdisparaıt ;

I une fois la reaction terminee, une nouvelle ligne joint tremolite etdolomite (en rouge).






> 500˚C



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