Caractérisation des phases riches en fer (métal + sulfures) dans les échantillons naturels : chondrites de types H et achondrites primitives

II-1Résumé

Caractérisation texturale des phases riches en Fer dans les chondrites ordinaires de type H : une mesure quantitative du métamorphisme thermique.

Les chondrites ordinaires (H-L-LL) sont les météorites les plus abondantes (85% du total) recensées sur Terre (chutes + trouvailles). Les variations isotopiques et chimiques montrent que ces objets proviennent de trois corps parents différents (un pour chaque type, LL, L et H). Schématiquement, elles présentent des pétrologies assez semblables et sont composées, de chondres (60-80 vol%) et d’une matrice (10-15 vol%) et de métaux (FeNi) et sulfures (FeS) en proportions variables. Ces météorites sont également classées en type pétrologique, de 3 à 6-7 selon le degré de métamorphisme atteint. Un consensus existe autour de la température maximum atteinte par ces objets. Elle n’excède jamais 1000°C, la température où la fusion partielle commence. Les études sur les chondrites ordinaires sont nombreuses mais peu d’entre elles s’intéressent aux évolutions texturales, en particulier des

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les métaux et sulfures. Nous avons donc caractérisé l’évolution texturale des métaux et sulfures dans différentes chondrites ordinaires de type H ayant connu des degrés de métamorphisme différents dans le but de relier quantitativement les variations texturales à l’histoire thermique du corps parent. Les chondrites ordinaires de type H ont l’avantage d’avoir été étudiées en détail (modélisation de l’histoire thermique du corps parent et âges de refroidissement, voir manuscrit Monnereau et al en annexe), et on connait désormais la structure globale du corps parent ainsi que la localisation de certaines météorites à l’intérieur de ce dernier. Nous avons donc sélectionné 9 échantillons de météorites, selon les températures qu’elles avaient atteintes, et quantifié une série de paramètres texturaux dans les métaux et sulfures.

Dans cette étude, le choix des échantillons est primordial. Il s’agit de 7 chondrites ordinaires de type H (une H4, trois H5 et trois H6) et deux achondrites primitives (Acapulco et Lodran). Ces échantillons étant principalement des chûtes, elles sont peu altérées et le degré de choc est restreint. Le plus important est que la plupart des chondrites (sauf Misshof et Forest City) ont été datées par différents systèmes isotopiques avec des températures de clôture différentes, ce qui apporte des informations sur l’histoire thermique de ces objets. Par exemple, Estacado vient de plus profond dans le corps parent que Kernouvé et Forest Vale provient de la sub-surface. Finalement, par simple analyse d’images prise au microscope otique en lumière réfléchie, nous avons quantifié la proportion de chacune des phases, le contact entre métal et sulfures, la valeur de l’angle diédral métal-silicate (respectivement sulfure-silicate), la forme et la taille des grains.

Les résultats montrent que la proportion de chacune des phases est déterminée grâce aux histogrammes de niveaux de gris de chaque image. Dans tous nos échantillons, il y a toujours plus de métal (Kamacite-Taenite) que sulfures (Troilite), selon un rapport 2/3. Les proportions absolues de chacune de ces phases varient respectivement entre 4,5 et 7,0% et 2,2

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et 4,0%. Ces variations ne sont pas corrélées avec le type pétrologique des échantillons, ce qui suggère qu’il n’y a pas de ségrégation de phases au cours du métamorphisme thermique. En revanche, les deux achondrites primitives ont des proportions de sulfures et métal différentes des chondrites de types H, respectivement 5 % et entre 12 et 20%.

La longueur des contacts métal-sulfures a été quantifiée et normalisée à la surface de mesure (=métal+sulfures). Il apparait que ces contacts sont de plus en plus rares lorsque le métamorphisme thermique augmente. Acapulco et Lodran suivent cette tendance et entre Forest Vale (H4) et Lodran, cette longueur de contact normalisée diminue d’un ordre de grandeurs. Richardton est la seule exception à cette tendance.

Concernant les angles diédraux métal-silicates et sulfure-silicates, leur distribution s’étend entre 50 et 160° autour d’une moyenne de 120-130°, caractéristique de textures équilibrées. Aucune distinction ne peut être faite selon le type pétrologique et/ou entre les échantillons d’un même type.

La forme des grains et notamment la circularité montre davantage de variations. En effet, pour les métaux ou les sulfures, les grains deviennent de plus en plus sphériques quand le métamorphisme augmente et on distingue très bien les trois types pétrologiques. Pour distinguer les échantillons appartenant à un même type, on peut utiliser la taille maximum des grains les plus circulaires, grâce à laquelle on peut classer les échantillons dans un même ordre quelque soit la phase riche en Fer considérée, à savoir : Forest Vale (H4), Richardton (H5), Forest City (H5), Misshof (H5), Kernouvé (H6), Guareña (H6) et Estacado (H6). Les 2 achondrites primitives suivent cette tendance avec dans l’ordre Acapulco puis Lodran.

Les distributions de la taille des grains (CSD) ont aussi été caractérisées. Ici, les CSD s’alignent sur une droite dans une représentation log-log. Ainsi, chaque échantillon possède sa propre CSD caractérisée par sa pente et son ordonnée à l’origine. Il y a une rotation de ces CSD avec l’augmentation du métamorphisme, autrement dit, une augmentation continue de la

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pente (respectivement diminution de l’ordonnée à l’origine) entre Forest Vale H4 et Estacado H6 et ce, dans le même ordre que précédemment. Acapulco et Lodran suivent également cette tendance. Enfin, l’évolution de la taille moyenne des grains de métal et sulfures montre une corrélation parfaitement linéaire avec l’augmentation du degré de métamorphisme. La taille des grains de silicates a été déduite de l’espacement moyen des grains de métal. Cette taille nous sera utile par la suite mais montre déjà une augmentation linéaire avec le métamorphisme thermique.

De plus, l’évolution des textures des grains de métal et sulfure sont corrélés linéairement entre eux et avec une pente de 1, ce qui suggère que les processus d’évolution texturales au cours du métamorphisme thermique sont communs pour ces deux phases. Ces corrélations s’étendent aussi au deux achondrites primitives.

Un aspect intéressant de ce travail est que les paramètres mesurés sont caractéristiques d’échelles de longueurs particulières. Par exemple, les angles diédraux correspondent à des échelles de transports de l’ordre du micron alors que l’évolution de la taille moyenne des grains dispersés dans une matrice agit à des échelles de plusieurs centaines de microns. Par conséquent le fait de ne pas voir d’évolution de la valeur de l’angle diédral entre les type 4, 5 et 6 est le résultat d’un équilibre textural local. D’un autre coté, la longueur des contacts évoluent surtout dans les types 4, 5 et les distinctions sont difficiles dans les types 6. Pour distinguer deux H6, il faut plutôt étudier l’évolution des CSD, qui en revanche montrent peu de variations dans les H4/5. Pour résumer, des processus différents sont activés selon le degré de métamorphisme et ces processus sont directement en lien avec des longueurs caractéristiques sur lesquelles ils agissent. L’évolution de la taille moyenne des grains est importante pour comprendre ces processus d’évolution texturale et fera l’objet du reste de la thèse.

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Les données présentées dans cette étude montrent ainsi que les phases riches en métal ont des évolutions texturales significatives pouvant être reliées au degré de métamorphisme. Pour la plupart des paramètres mesurés, les échantillons peuvent être classés dans un ordre bien précis : Forest Vale (H4), Richardton (H5), Forest City (H5), Misshof (H5), Kernouvé (H6), Guareña (H6), Estacado (H6) et Acapulco, Lodran. Ainsi, les phases opaques offrent l’opportunité d’affiner l’échelle de métamorphisme pour les types 4, 5 et 6.

Finalement, ces paramètres texturaux peuvent être reliés directement à l’histoire thermique du corps parents. Par exemple, pour les cinq chondrites pouvant être modélisées, on constate une corrélation linéaire entre la taille des grains de métal ou l’espacement moyen entre les grains avec la profondeur de l’objet dans le corps. Nous avons envisagé deux scenarii pour évaluer les conséquences de ce métamorphisme thermique sur les textures : d’un coté un calcul de distance caractéristique de l’inter-diffusion Fe-Mg dans les olivines et de l’autre le calcul de l’évolution de la taille de grains des ces mêmes olivines. Quelque soit le calcul utilisé, on voit qu’il y a une corrélation linéaire pour la majorité du corps parent. Ceci montre que les textures ont une réelle dépendance à la température. Ainsi, nous avons corrélé la distance caractéristique de diffusion (dmetam) avec l’espacement moyen entre les grains de

métal dans le but d’affiner la classification. Nous proposons ainsi de subdiviser l’échelle métamorphique en ajoutant cette donnée dmetam au type pétrologique. Par exemple, Misshof

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II-2-Article 1 : Textural properties of iron-rich phases in H ordinary chondrites as a