2-b) Calculs de thermo-barométrie : résultats

^{T (}°C)=127,8  ln(Zr )
10 (4)

Enfin, il existe un thermomètre basé sur l'échange des ions Fe²⁺ et Mg²⁺ entre grenat et hornblende (Ravna, 2000). Dans ce cas, la température dépend de la teneur en grossulaire (XCa) et en spessartine( XMn) du grenat mais pas de la pression. T (°C)=^{1504
1784 X}Ca grt+X_Mn^grt

( )

Les thermomètres grenat-pyroxène et grenat-amphibole sont basés sur le principe de l'échange Fe²⁺ - Mg²⁺ entre les minéraux. Si Mg n'existe dans les minéraux que sous la forme Mg²⁺, le fer peut exister sous forme d'ions Fe²⁺ ou de Fe³⁺. Il apparaît donc primordial d'estimer au plus juste la proportion de chacune des valences du fer dans les minéraux considérés, et d'apporter un soin tout particulier aux calculs de formules structurales. La teneur en Fe³⁺ dans les minéraux a dans notre cas été calculée par l’équilibration des charges.

II-2-b) Calculs de thermo-barométrie : résultats

La reconstruction du chemin P-T des roches de Vårdalsneset est uniquement basée sur les échantillons NOG 12 et NOG 13. Ces deux échantillons sont les mieux caractérisés à la microsonde. De plus, NOG 12 présente des contacts grenats-pyroxènes nets, ce qui est indispensable pour l'application des thermomètres (1) et (2). La zonation chimique marquée des grenats éclogitiques (Fig. II-1) peut nous faire penser que seules les bordures sont à l'équilibre avec les omphacites. Les mesures à la sonde électronique sont alors effectuées au bord des cristaux, afin de ne pas fausser les calculs des thermomètres.

Les températures obtenues sont de 687 ± 32 °C pour une pression de 18,5 ± 0,8 kbar avec le thermomètre (1) et de 632 ± 38 °C pour une pression de 17 ± 1 kbar avec le thermomètre (2). Ces résultats sont dans la gamme des pressions et des températures déjà citées pour Vårdalsneset (Table I-1).

Pour que le thermomètre (4) soit utilisable, rutile, zircon et quartz doivent avoir cristallisé en même temps. Si NOG 12 contient en effet rutile, quartz et zircon, nous n'avons aucune certitude quant à leur contemporanéité. Le calcul de la température de cristallisation du rutile est néanmoins fait, mais le résultat obtenu sera pris avec une certaine retenue dans la suite de l'étude. La teneur des rutiles en Zr est de 70 ppm, ce qui donne une température de cristallisation de 533 °C.

En ce qui concerne le thermomètre (5), il n'a pas été possible d'établir d'après les lames minces si les grenats et les amphiboles se sont équilibrés ou non lors de l'amphibolitisation. La température obtenue pour l’amphibolite NOG 13 (1027 ± 290 °C), excessivement élevée, ainsi que l'erreur très importante, nous laissent penser qu'il n'y a pas eu de rééquilibration entre les grenats éclogitiques et les amphiboles.

Ces calculs, très ponctuels, donnent des résultats cohérents avec les données préexistantes sur l'affleurement de Vårdalsneset. Néanmoins, il reste de nombreuses zones d'ombre, comme les conditions de formation des coeurs des grenats éclogitiques. Sont-ils hérités d'une phase métamorphique ancienne, par exemple la phase Svéconorvégienne ? Se sont-ils formés durant la phase prograde du métamorphisme Calédonien, comme le suggèrent Engvik et Andersen (2000) qui ont calculé une température de 463 ± 63 °C sur une amphibole en inclusion dans un grenat, arguant alors d'une phase amphibolitique prograde ? Ces méthodes de thermobarométrie échouent aussi lorsqu'il s'agit d'obtenir les conditions PT de la rétromorphose. Afin d'essayer de lever ces incertitudes, des modélisations thermodynamiques à l'aide du logiciel Perple_X ont été réalisées.

II-2-c) Le logiciel Perple_X : principe

Perple_X est un logiciel de modélisation thermodynamique développé par James Connolly (Connolly, 1990; Connolly et Petrini, 2002; Connolly, 2005),utilisant les bases de données thermodynamiques de Holland et Powell. Il est basé sur la minimisation de l'énergie de Gibbs G (ou enthalpie libre) du système, c'est à dire

Chapitre II : Etude pétrographique et modélisation thermodynamique des roches de Vårdalsneset

dGT, P, n >0 en termes mathématiques (T = Température, P = Pression, n = nombre de moles).

Dans le cas d'une roche, le système est un mélange de différents composés - les minéraux - qui sont la plupart du temps eux-mêmes des mélanges chimiques, c'est à dire des solutions solides (Barbey et Libourel, 2003). La composition chimique vraie d'un minéral est alors un mélange entre plusieurs pôles purs.

Pour une solution solide idéale à deux constituants (Fig. II-7), l'énergie de Gibbs est définie par

^G

sys =X₁μ₁ +X₂μ₂, avec X1 et X2 le nombre de môles de chacun des deux constituants (dans ce cas, X1= X2), et
1 et
2 l'enthalpie libre molaire partielle de chacun des deux constituants. Si les deux constituants ont pour compositions a et

b, l'énergie de Gibbs du système n'est pas minimisée. G n'est minimale que lorsque a = b

Fig. II-7 : Représentation graphique de la minimisation de l'énergie de Gibbs pour un système X composé de deux constituants présents en quantité égale (X1 = X2) dans le cas d'une solution solide

idéale. D'après Connolly (http://www.perplex.ethz.ch/).

Dans la grande majorité des cas, les solutions solides naturelles présentent des lacunes de solubilité (ou solvus, Fig II- 8), et il faut considérer des solutions solides réelles. Dans ce cas, pour minimiser son énergie de Gibbs, le système de composition a va devoir se diviser en deux sous-systèmes de compositions a' et b'. C'est par exemple le cas du mica Muscovite (solution solide a), qui sous certaines conditions de P et de T va cristalliser conjointement sous forme de muscovite (a') et de paragonite (b').

Fig. II-8 : Représentation graphique de la minimisation de l'énergie de Gibbs pour un système X composé de deux constituants dans le cas d'une solution solide réelle. D'après Connolly

(http://www.perplex.ethz.ch/).

Pour la plupart des minéraux, des modèles de solutions solides sont définis, et les constantes thermodynamiques (S, H, V) sont connues pour les différents pôles purs de cette solution. De plus ces bases de données thermodynamiques sont constamment remises à jour, au fur et à mesure de l'évolution des connaissances dans ce domaine.

Un diagramme de phases correspond à la représentation dans un domaine tridimensionnel T, P, X des champs de stabilité des phases, c’est-à-dire des champs de plus faible énergie de Gibbs de la ou des phase(s) (Fig. II-9a). Une pseudosection correspond à la projection de ces champs de stabilité dans un diagramme de phases à deux dimensions P et T (Fig. II-9b). La composition chimique X est dans ce cas fixée. Contrairement aux grilles pétrogénétiques, qui listent toutes les réactions possibles dans un champ P-T quelle que soit la composition chimique, une pseudosection correspond à une composition chimique donnée.

Note : on peut également définir des pseudosections P-X à T fixée, ou T-X à P fixée (Fig. II-9a).

Chapitre II : Etude pétrographique et modélisation thermodynamique des roches de Vårdalsneset

Fig. II-9 : a) Diagramme de phases dans les trois dimensions P, T, X d’un système chimique à 3 phases
, , , b) pseudosection P-T pour une composition chimique S (d’après Connolly).

Le logiciel Perple_X construit une telle pseudosection de la façon suivante :

- à chaque nœud de l’espace P-T (maillage défini par l’utilisateur), il définit la ou les phase(s) à l'équilibre (cercles sur la Fig. II-10a)

- si deux nœuds successifs présentent les mêmes phases à l’équilibre, il n’y a pas de limite de champ entre ces noeuds

- si deux nœuds successifs ne présentent pas les mêmes phases à l’équilibre, le logiciel teste l’équilibre entre ces deux nœuds (carrés sur la Fig. II-10a), et ainsi de suite jusqu’à pouvoir tracer toutes les limites de champs (Fig. II-10b).

Fig. II-10 : a) méthode de construction d’une pseudosection par le logiciel Perple_X, b) pseudosection obtenue