1.2.2 - Composition en éléments majeurs

Les compositions des verres silicatés et des minéraux pour la fusion du sédiment B12a

sont reportées dans les tableaux de l’annexe 2. Les compositions des phases expérimentales

(minéraux + verres silicatés) pour les échantillons PEL62s, PEL65h et pour les expériences de cristallisation du verre B12aG sont reportées dans les tableaux de l’annexe 3.

a) Grenat

Les grenats sont présents dans toutes les expériences étudiées. Pour l’échantillon PEL62s, les « garnet seeds » introduits dans le produit de départ sont préservés au cœur des grenats néoformés, seule la bordure doit être prise en compte. Pour les autres échantillons, de légères zonations sont présentes dans les grenats expérimentaux et en particulier pour les conditions de basse température (T ≤ 900°C) – voir annexes 2 et 3. Les cœurs sont généralement plus riches en Ti et Mn (p.f.u) et plus pauvres en Mg et Ca (p.f.u) que les bordures. Seules les compositions des bordures, considérées à l’équilibre avec le verre silicaté, sont discutées.

Que ce soit pour les expériences de fusion (B12a) ou de cristallisation (B12aG), les grenats expérimentaux ont de fortes teneurs en almandin (54 – 63 %) et pyrope (30 – 41 %) et de faibles teneurs en grossulaire (0.7 – 6.3 %) et spessartine (0.3 – 0.7 %). Les grenats de

l’échantillon PEL53 (B12aG + 8 wt% H2O – 800°C) ont une très forte composante spessartine

(2.1 %). On peut l’expliquer par le fait que l’assemblage n’a pas atteint l’équilibre (voir section II.1.2.1). La gamme de Mg# [(Mg/(Mg+Fetot)) *100] des grenats obtenus pour toutes les expériences est comprise entre 32 et 42 (Figure III.16). Le grenat néoformé dans l’expérience PEL62s (B12a + garnet seeds ; 800°C) est plus riche en Si (pfu), Al (pfu) et plus pauvre en Ti (pfu) et Mg (pfu) que le grenat de l’expérience PEL50 (B12a ; 800°C).

Avec l’augmentation de la température (H2O fixée), la composante grossulaire (Ca)

des grenats diminue fortement (Figures III.16a,b et III.17k,l) tandis que la composante pyrope (Mg) augmente légèrement (Figures III.16a,b et III.17g,h). Les composantes almandin (Fe) et spessartine (Mn) restent relativement constantes (Figures III.16a,b et III.17i,j) tandis que le Mg# des grenats augmente (Figure III.16c,d). Pour les expériences de fusion (B12a 8.53 wt%

H2O), on observe une augmentation (entre 750 et 850°C) puis une diminution (entre 850 et

1000°C) des teneurs en Ti (pfu) et Al (pfu) dans les grenats (Figure III.17c,e).On observe aussi une légère augmentation de la teneur en Si (pfu) – Figure III.17a. Pour les expériences de cristallisation, on observe une diminution des teneurs en Si (pfu) et Ti (pfu) - Figure III.17b,d.

95

Avec l’augmentation de la teneur en H2O (T fixée), la composante grossulaire (Ca)

des grenats diminue (Figures III.16a,b et III.17l) quand la composante almandin (Fe) augmente (Figures III.16a,b et III.17i,j). La composante pyrope (Mg) diminue légèrement (Figures III.16a,b et III.17g,h). Le Mg# des grenats expérimentaux diminue (Figure III.16c,d). On note aussi une diminution des teneurs en Si (pfu) et Ti (pfu) – Figures III.17a,b,c,d. Les teneurs en Al (pfu) sont plus basses pour les expériences de fusion (B12a) avec l’augmentation de la teneur en H2O (Figure III.17e).

Figure III.16 : Composition en éléments majeurs des grenats produits lors des expériences de fusion (B12a) et cristallisation (B12aG) : (a,b) diagramme ternaire représentant les proportions molaires de spessartine (Mn) + almandin (Fe), grossulaire (Ca) et pyrope (Mg) ; (c,d) variation du Mg# en fonction de la température. Des données de la littérature (Johnson & Plank, 1999 ; Hermann & Spandler, 2008 ; Skora & Blundy, 2010 ; Martindale et al., 2013 ; Mann & Schmidt, 2015 ; Li & Hermann, 2015) sont représentées en symboles gris (voir légende) pour comparaison.

96

Figure III.17 : Variations des teneurs en Si, Ti et Al (p.f.u ; normalisation à 12 oxygènes) en fonction de la température pour les grenats produits lors des expériences de fusion (B12a) et de cristallisation (B12aG). Légende comme dans la figure III.16.

97 b) Tourmaline

On observe de la tourmaline uniquement dans l’échantillon PEL62s. Sa composition consiste en une solution solide entre un pôle dravite (42.7 %) et un pôle schorl (42.1 %) à laquelle s’ajoute une légère composante elbaite (15.2 %). Elle est relativement riche en TiO2

(0.99 wt%) et a un Mg# de 52.9.

Figure III.17 (suite) : Variations des teneurs en Mg, Fe et Ca (p.f.u ; normalisation à 12 oxygènes) en fonction de la température pour les grenats produits lors des expériences de fusion (B12a) et de cristallisation (B12aG). Légende comme dans la figure III.16.

98 c) Phengite et biotite

Les phengites sont présentes dans les expériences de fusion (B12a) à 750 et 800°C et

dans les expériences de cristallisation à 800°C (B12aG + 8 wt% H2O) et 900°C (B12aG + 5

wt% H2O). Les biotites sont présentes uniquement dans les expériences de cristallisation à

800°C (B12aG + 8 wt% H2O) et 900°C (B12aG + 5 wt% H2O).

Pour les expériences de fusion (B12a), les phengites sont particulièrement riches en Si (3.20 – 3.24 ; pfu) et Al (2.28 – 2.41 ; pfu) – Figure III.18a. Leur Mg# est compris entre 58 et 63 (Figure III.18c). Avec l’augmentation de la température (H2O fixée), on note une diminution des teneurs en Si (pfu), Al (pfu) et Na (pfu) et une augmentation des teneurs en Mg

(pfu), Fe (pfu) et du Mg# (Figure III.18c). Les phengites formées dans l’expérience PEL62s

(B12a + garnet seeds ; 800°C) sont plus riches en Al (pfu) et ont un Mg# plus élevé que leur équivalent de l’expérience PEL50 (B12a ; 800°C).

Pour les expériences de cristallisation (B12aG), les phengites sont moins riches en Si (3.17 – 3.19 ; pfu) et Al (2.16 – 2.21 ; pfu) que pour les expériences de fusion (B12a) – Figure III.18a,b. Leur Mg# est également plus bas (~ 55 ; Figure III.18c,d). Les phengites sont riches

en TiO2 (1.4 – 1.9 wt%). Les compositions des phengites pour les expériences PEL56 (5 wt%

H2O ; 900°C) et PEL53 (8 wt% H2O ; 800°C) sont relativement similaires. Les biotites ont une teneur en Si (pfu) comprise entre 2.81 et 2.89 et une teneur en Al (pfu) comprise entre 1.56 et 1.64 (Figure III.18b). Leur Mg# est compris entre 56 et 60 (Figure III.18e). Elles sont très riches en TiO2(2.55 à 3.54 wt %). Les biotites de l’expérience PEL56 (5 wt% H2O) sont globalement plus riches en Si, Ti, Al (pfu) et plus pauvres en Mg et Fe (pfu) que les biotites de l’expérience

PEL53 (8 wt% H2O).

d) Autres phases

Les staurotides sont présentes en tant que microlites ou fines baguettes dans certaines

expériences à basse température (T ≤ 900°C). Le Mg# des staurotides est compris entre 30 et

36. Elles sont riches en fer (FeO* compris entre 12 et 16 wt%). Les monazites ne sont présentes que pour les expériences à basse température (jusque 800°C pour B12a et B12aG + 8 wt% H2O ; jusque 900°C pour B12aG + 5 wt% H2O). Elles sont riches en Ce. Pour les expériences de fusion (B12a), on note la présence de sulfures pour toute la gamme de température étudiée. D’autres phases riches en éléments volatils (carbonates, sels) sont présentes pour les expériences de fusion (B12a) à haute température (voir section III.1.3.2e).

99 e) Verres silicatés

Les compositions des verres silicatés normalisées à 100% (base anhydre) sont reportées dans les tableaux de l’annexe 2 (fusion B12a) et de l’annexe 3 (PEL62s + cristallisation B12aG). Les verres silicatés obtenus pour les expériences de fusion (B12a) et de cristallisation (B12aG) sont riches en silice (SiO2 ~ 74.5 – 79 wt%). Ils ont majoritairement une composition granitique. Seuls les échantillons PEL71 (B12a, 750°C) et PEL62s (B12a + garnet seeds,

Figure III.18 : Compositions en éléments majeurs des phengites et des biotites produites lors des expériences de fusion (B12a) et de cristallisation (B12aG). (a,b) Teneurs en Al en fonction du Si (p.f.u ; normalisation à 11 oxygènes) – figure d’après Thomsen & Schmidt (2008b). (c,d,e) Variations du Mg# dans les phengites et les biotites en fonction de la température.

100

800°C) ont une composition trondhjémitique (Figure III.19a). Les verres silicatés sont majoritairement hyperalumineux (Figure III.19c,d).

Avec l’augmentation de la température (H2O fixée), les compositions des verres silicatés tendent vers le pôle orthoclase (dans les projections Ab-An-Or ; Figure III.19a,b). Pour les expériences de fusion (B12a), on note également une augmentation du pôle anorthite (Figure III.19a). Pour toutes les expériences, l’indice de saturation en alumine (A/CNK) augmente quand le degré d’alcalinité (NK/A) diminue avec l’augmentation de la température (Figure III.19c,d). Le rapport K/Na augmente tandis que le Mg# et le XCa diminuent avec la température

(Figure III.20). Les teneurs en TiO2, FeO* et MgO augmentent avec la température quand les

teneurs en Al2O3 et Na2O diminuent (Figure III.21). Les teneurs en CaO restent relativement stable avec l’augmentation de la température à l’exception de l’expérience PEL53 (B12aG + 8

wt% H2O ; 800°C) qui est particulièrement enrichie en calcium (CaO = 1.01 ± 0.05 wt%) –

Figure III.21k,l. Les teneurs en K2O augmentent jusqu’à 800-850°C (fusion B12a) ou 900°C

(cristallisation B12aG) puis diminuent avec l’augmentation de la température (Figure III.21o,p). L’augmentation des teneurs en TiO2, FeO et MgO est liée à la diminution des proportions de rutile et de de grenat avec l’augmentation de la température. Les variations en K2O et l’augmentation du caractère potassique avec la température sont liées à la déstabilisation des phases micacées (phengite et biotite). Enfin, la diminution des teneurs en Na2O, K2O (pour T > 850°C) et Al2O3s’explique par un effet de dilution avec l’augmentation du taux de fusion.

Avec l’augmentation de la teneur en H2O (T fixée), l’indice de saturation en alumine (A/CNK) diminue quand le degré d’alcalinité (NK/A) augmente pour les expériences de fusion B12a. On observe le comportement inverse pour les expériences de cristallisation B12aG

(augmentation du rapport A/CNK et diminution du rapport NK/A avec l’ajout d’eau) – Figure

III.19c,d. Pour toutes les expériences, on constate une augmentation du Mg# dans les verres silicatés avec l’augmentation de la teneur en eau (Figure III.20c,d). La teneur en SiO2 diminue pour les expériences de fusion (B12a) tandis qu’elle augmente pour les expériences de cristallisation (B12aG) avec l’augmentation de la teneur en eau – Figure III.21a,b. Pour les expériences de cristallisation (B12aG), on observe une nette augmentation des teneurs en FeO*, MgO et CaO avec l’ajout d’eau (Figure III.21f,h,l). Les teneurs en alcalins (Na2O et K2O) diminuent pour les expériences de cristallisation (B12aG) alors qu’elles augmentent pour les expériences de fusion (B12a) avec l’ajout d’eau (Figure III.21m,n,o,p).

101

Figure III.19 : Composition en éléments majeurs des verres silicatés produits lors des expériences de fusion (B12a) et de cristallisation (B12aG). (a,b,) triangle normatif Ab (albite Na) – An (anorthite Ca) – Or (orthose K). (c,d) Variations du rapport A/CNK [Al/(2Ca+Na+K)] en fonction du rapport NK/A [(Na+K)/Al] en mols. Abréviations : To (tonalite) ; Grd (granodiorite) ; Tdh (trondhjémite).

102

Figure III.20 : Variations des rapports molaires K/Na, Mg# ([Mg/(Mg+Fetot)] * 100) et XCa [Ca/(Ca+Mg+Fetot)] en fonction de la température pour les verres silicatés produits lors des expériences de fusion (B12a) et de cristallisation (B12aG). Légende comme dans la Figure III.19.

103

Figure III.21 : Variations des teneurs (wt%) en SiO2, TiO2, FeO* et MgO en fonction de la température pour les verres silicatés produits lors des expériences de fusion (B12a) et de cristallisation (B12aG). Légende comme dans la Figure III.19.

104

Figure III.21 (suite) : Variations des teneurs (wt%) en Al2O3, CaO, Na2O et K2O en fonction de la température pour les verres silicatés produits lors des expériences de fusion (B12a) et de cristallisation (B12aG). Légende comme dans la Figure III.19.

105

III.1.2.3 – Eléments en traces

Les compositions en éléments en traces des phases expérimentales se trouvent dans les tableaux de l’annexe 2 (fusion B12a) et de l’annexe 4 (cristallisation B12aG - fusion B12a + garnet seeds).

a) Teneurs en éléments en traces des minéraux

La figure III.22 présente les teneurs en éléments en traces (Li, Be, B, LILE, HFSE, actinides, Pb, Y, REE) normalisées au manteau primitif (McDonough and Sun, 1995) des minéraux (grenat, phengite, tourmaline).

Les grenats sont relativement riches en éléments légers (Li, Be, B), actinides (Th, U), Pb, Zr, Hf, MREE, Y et HREE. Ils sont plus appauvris en LILE (Rb, Ba, Sr), LREE et Ti (Figure III.22a,b). Pour les grenats, (U/Th)N et (Ta/Nb)N sont supérieurs à 1 (N : rapports normalisés au manteau primitif). On observe une augmentation des teneurs en éléments en traces dans les grenats avec la diminution de la température.

Les phengites sont riches en éléments légers (Li, Be, B), Rb, Ba (jusqu’à 1000 fois plus que dans le manteau primitif pour Rb et Ba), actinides (Th, U), Nb, Ta, K, Pb et Ti. Elles sont appauvries en REE, Sr et Zr (Figure III.22 c,d). La phengite de l’expérience PEL62s (B12a + garnet seeds) est très riche en B (biais dû à la contamination en bore ?). Comme pour les grenats, on observe une légère augmentation des teneurs en éléments en traces dans les phengites avec la diminution de la température.

La tourmaline analysée n’est pas particulièrement riche en éléments en traces excepté B, Pb, LREE, MREE et Ti. Elle est appauvrie en Ba et Zr (Figure III.22e).

b) Teneurs en éléments en traces des verres silicatés

La figure III.23 illustre les teneurs en éléments en traces (Li, Be, B, LILE, HFSE, actinides, Pb, Y, REE) dans les verres silicatés normalisées au manteau primitif (McDonough and Sun, 1995). Les variations des éléments en traces avec la température sont représentées dans la figure III.24.

Les verres silicatés obtenus pour les expériences de fusion (B12a) et de cristallisation (B12aG) partagent des similarités avec les caractéristiques géochimiques des magmas d’arc soit : (1) un enrichissement en éléments légers (Li, Be, B), LILE (Rb, Ba, Sr), actinides (Th, U)

106

et Pb ; (2) des anomalies négatives marquées en HFSE (Nb, Ta, Ti) et ; (3) un enrichissement en LREE par rapport aux HREE.

Figure III.22 : Teneurs en éléments en traces normalisées au manteau primitif (McDonough & Sun, 1995) pour les minéraux résiduels des expériences de fusion (B12a) et de cristallisation (B12aG). (a,b) grenat ; (c,d) phengite ; (e) tourmaline.

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Avec l’augmentation de la température (H2O fixée), on observe une légère diminution des éléments légers (Li, Be, B ; Figure III24a,b). Les LILE (Rb, Ba) ont un comportement proche de celui du K2O (voir section III.1.2.2e), à savoir une augmentation avec un maximum situé autour de 800-850°C (B12a) ou 900°C (B12aG) puis une diminution avec l’augmentation de la température (Figure III.24c,d). Ce comportement est contrôlé par les phases micacées (phengite et biotite). Les teneurs en HFSE (Nb, Ta, Zr, Hf) augmentent progressivement avec l’augmentation de la température du fait de l’augmentation de la solubilité du rutile et du zircon avec l’augmentation de la température (Figure III.24e,f,g,h). Les teneurs en Sr diminuent progressivement (effet dilution dû à l’augmentation du taux de fusion partielle ; Figure III.24i,j). Les teneurs en Pb restent relativement constantes avec l’augmentation de la température. Enfin, les teneurs en LREE et Th augmentent jusqu’à 800-850°C (B12a) ou 900°C (B12aG) puis diminuent avec l’augmentation de la température. Ce comportement est lié à la présence de monazite dans les expériences à basse température (T < 850°C pour B12a et T ≤ 900°C pour B12aG ; Figure III.24k,l,o,p).

Figure III.23 : Teneurs en éléments en traces normalisées au manteau primitif (McDonough & Sun, 1995) pour les verres silicatés produits lors des expériences de fusion (B12a) et de cristallisation (B12aG).

108

Figure III.24 : Variations des teneurs (ppm) en Li, Rb, Nb, Zr en fonction de la température pour les verres silicatés produits lors des expériences de fusion (B12a) et de cristallisation (B12aG).

109

Figure III.24 (suite) : Variations des teneurs (ppm) en Sr, Ce, Pb, Th en fonction de la température pour les verres silicatés produits lors des expériences de fusion (B12a) et de cristallisation (B12aG).

110

Avec l’augmentation de la teneur en H2O (T fixée), on observe globalement un effet de dilution lié à l’augmentation du taux de fusion partielle qui conduit à une diminution des teneurs en éléments en traces dans les verres silicatés (Figure III.24). La seule exception concerne les teneurs en HFSE qui peuvent être légèrement plus élevés pour les expériences à 8 wt% H2O que pour les expériences à 5 wt% H2O (Figure III.24e,f,g,h).

c) Partage des éléments en traces entre les minéraux et le verre silicaté Les figures III.25, III.26 et III.27 représentent le partage des éléments en traces (Li, Be, B, LILE, HFSE, actinides, Pb, Y, REE) entre les minéraux (respectivement grenat, tourmaline et phengite) et le verre silicaté. Les données de coefficients de partage sont listées dans les tableaux III.04 (Dgarnet/melt), III.06 (Dtourmaline/melt) et III.07 (Dphengite/melt) – voir section III.1.3.4c.

Les grenats (Figure III.25) incorporent préférentiellement les HREE (Dy, Yb) et l’Y.

Pour les expériences à basse température (T ≤ 900°C), les grenats peuvent également incorporer des MREE (Sm, Eu) et du Zr. Les LILE (Rb, Ba, Sr) sont fortement incompatibles. On observe une augmentation des coefficients de partage (Dgarnet/melt) avec la diminution de la température. Le grenat fractionne certains rapports d’éléments en traces : Zr est plus compatible que Hf ; U est moins incompatible dans le grenat que Th ; Ta est moins incompatible que Nb (Figure III.25).

La tourmaline n’est présente que pour l’échantillon PEL62s (B12a + garnet seeds ; 800°C). La plupart des éléments en traces, excepté B, ne sont pas compatibles avec la tourmaline (Figure III.26). Sr, La, Ce, Pb, Nd sont modérément incompatibles. Ba est très incompatible.

Les phengites (Figure III.27) incorporent préférentiellement Rb, Ba, Nb, Ta et Ti. Les REE sont très incompatibles. Les éléments légers sont faiblement incompatibles excepté Be pour l’expérience B12a + garnet seeds (PEL62s). Comme pour le grenat, on observe une augmentation des coefficients de partage (Dphengite/melt) avec la diminution de la température. La phengite est responsable du fractionnement de plusieurs rapports d’éléments en traces : Ba est plus compatible dans la phengite que Rb ; Nb est plus compatible que Ta ; U est moins incompatible que Th ; Hf est moins inccompatible que Zr.

111

Figure III.25 : Coefficients de partage des éléments en traces entre le grenat et le verre silicaté (Dgarnet/melt) pour les expériences de fusion (B12a) et de cristallisation (B12aG).

Figure III.26 : Coefficients de partage des éléments en traces entre la tourmaline et le verre silicaté (Dtourmaline/melt) pour les expériences de fusion B12a + garnet seeds.

112

d) Fractionnement des éléments en traces dans le verre silicaté par rapport au produit de départ

La figure III.28 représente le partage des éléments en traces (Li, Be, B, LILE, HFSE, actinides, Pb, Y, REE) entre le verre silicaté et le produit de départ. Globalement, on observe un enrichissement en éléments légers (Li, Be, B), LILE (Rb, Ba, Sr), actinides, Pb et LREE dans les verres silicatés par rapport au produit de départ et un appauvrissement en HFSE (Nb, Ta, Ti, Zr, Hf) et HREE dans les verres silicatés par rapport au produit de départ. Les données de partage (Dmelt/starting bulk) sont répertoriées dans les tableaux III.09 (B12a) et III.10 (B12aG) – voir section III.1.3.4d.

Figure III.27 : Coefficients de partage des éléments en traces entre la phengite et le verre silicaté (Dphengite/melt) pour les expériences de fusion (B12a) et de cristallisation (B12aG).

113

Les coefficients de partage Dmelt/starting bulk diminuent avec la diminution de la température. Pour les expériences à basse température, on observe une accentuation des anomalies négatives en HFSE liée à la présence de rutile (Nb, Ta, Ti), zircon (Zr, Hf) et micas

(Nb, Ta, Ti). Les appauvrissements marqués en Ba, Th, La, Ce et Nd pour l’échantillon PEL71

(B12a ; 750°C) sont liés à la présence de phengite (qui incorpore préférentiellement Ba) et de monazite (LREE, Th). L’appauvrissement marqué en HREE dans les verres silicatés est lié à la présence de grenat.