DE SEDIMENTS VARIABLEMENT ENRICHIS EN SOUFRE
III. 1.1.2 - Composition des phases expérimentales
Les compositions chimiques des phases expérimentales produites pour les expériences subsolidus se retrouvent dans les tableaux de l’annexe 2.
a) Epidote
On ne retrouve de l’épidote que dans l’expérience non dopée en soufre (PEL41). Le seul minéral analysé a une teneur élevée en silice (Si = 3.26 ; pfu). Il est aussi relativement pauvre en Al (2.62 ; pfu) et riche en Fe (0.39 ; pfu). Les teneurs en P2O5 et TiO2 sont basses (0.12 wt%) et les teneurs en MgO, MnO et en alcalins sont négligeables (≤ 0.05 wt%). On peut classer ce minéral dans le groupe des Fe-clinozoïsites (suivant la nomenclature de Armbruster et al., 2006).
b) Phengite
De la phengite est présente pour toutes les expériences. En raison de leur petite taille, peu de points d’analyse ont été obtenus. Seul l’échantillon PEL42 présente trois analyses de phengite et leur composition semble relativement hétérogène.
Pour l’expérience non dopée en soufre (PEL41), la phengite est riche en Si (3.42 ; pfu) et Al (2.3 ; pfu) – Figure III.03. Sa teneur en alcalins est relativement basse (K = 0.59 et Na = 0.03 ; pfu). Elle présente un Mg# élevé (76.8) du fait d’une teneur en fer relativement basse (FeO* = 1.62 wt%). La teneur en TiO2 est également basse (TiO2= 0.11 wt%). Cela s’explique par le fait qu’une majeure partie du fer et du titane est mobilisée par les oxydes ferro-titanés (Ti-magnétite et ilménite). Les teneurs en MnO, CaO et P2O5 sont négligeables.
Pour l’échantillon PEL42 dopé à 1 wt% S, la phengite a un Mg# (53.5) plus bas que pour l’expérience non dopée. Aussi entre 0 et 1 wt% Sin, la teneur en Fe dans la phengite a augmentée (de 0.09 à 0.20 ; pfu) quand la teneur en Mg a diminuée (de 0.30 à 0.24 ; pfu). La teneur en Ti augmente fortement (de 0.006 à 0.02 ; pfu). On peut expliquer cela par la déstabilisation des oxydes ferro-titanés qui fournissent du fer et du titane dans le système. Entre 1 et 2.1 wt% Sin, en revanche, le Mg# dans la phengite augmente (de 53.5 à 72.0) du fait de la mobilisation du fer par les sulfures (pyrrhotites).
72 c) Biotite
La biotite n’est présente que pour les expériences dopées en soufre (PEL42 et PEL43). Comme pour la phengite, il a été difficile de l’analyser en raison de la petite taille des minéraux. Plusieurs biotites (n=4) ont été analysées dans l’expérience PEL43 et sont relativement homogènes en composition.
Les teneurs en Si sont comprises entre 2.91 et 2.97 (pfu) et les teneurs en Al entre 1.51 et 1.67 (pfu) – Figure III.03. Les biotites sont relativement riches en fer (FeO* = 13.45-14.17 wt%), en titane (TiO2 = 1.13-1.45 wt%) et en Na2O (~ 0.8 wt%). Avec l’augmentation de la teneur en soufre ajoutée, on observe une augmentation du Mg# (de 57.2 à 64.8) liée à une légère diminution du FeO* et une forte augmentation du MgO (de 10.62 à 13.89 wt%) dans la biotite. On observe aussi une diminution des teneurs en Si et Al (Figure III.03).
Figure III.03 : Diagramme Si versus Al (pfu, normalisé à 11 oxygènes) pour les phengites et les biotites synthétisées dans les expériences subsolidus de notre étude et dans des études précédentes (Hermann & Spandler, 2008 ; Martindale et al., 2013). Figure d’après Thomsen & Schmidt (2008b).
73 d) Staurotide
Elles sont présentes pour toutes les expériences mais n’ont pu être analysées que dans les échantillons PEL41 et PEL42. Ces staurotides sont riches en Si (7.87 ; pfu) et en Al (16.86-17.34 ; pfu). Elles sont également riches en fer (FeO* = 13.3 – 14.2 wt%) avec un Mg# ~ 30.
e) Autres phases minérales
Des analyses semi-quantitatives par EDS montrent que les apatites sont relativement riches en F (jusque 5 wt%). Leur teneur en Cl est en revanche négligeable.
Les oxydes ferro-titanés ne sont présents que pour les échantillons PEL41 et PEL42. Les ilménites contiennent environ 50-54 wt% TiO2 et 36-38 wt% FeO*. Les Ti-magnétites
contiennent environ 19-20 wt% TiO2 et 69 wt% FeO*.
III.1.1.3 - Discussion des résultats obtenus en conditions subsolidus
De nombreux travaux expérimentaux ont étudié les relations de phases subsolidus de métasédiments pélitiques aux pressions sub-arc.A 2.5 GPa, l’assemblage subsolidus est composé d’amphibole + phengite + quartz avec
du rutile, de l’allanite et de l’apatite en phases accessoires. Pour une pression plus élevée (3-3.5 GPa), l’assemblage subsolidus contient du grenat + clinopyroxène + quartz/coésite + phengite ± disthène avec du rutile, de l’apatite, de l’allanite et du zircon en phases accessoires (Hermann
and Spandler, 2008; Mann and Schmidt, 2015). Dans le cas d’un sédiment volcanoclastique à
3 GPa, l’assemblage subsolidus est constitué de biotite + clinopyroxène + grenat avec des oxydes ferro-titanés, de l’apatite et du rutile en phases accessoires (Martindale et al., 2013).
L’assemblage subsolidus sans soufre ajouté dans notre étude (PEL41) est constitué de quartz + phengite + staurotide + épidote avec des oxydes ferro-titanés (Ti-magnétite et ilménite) et de l’apatite en phases accessoires. La présence de staurotide (à la place du disthène) et la difficulté de nucléation du grenat dans les conditions subsolidus à 3 GPa a déjà été notée par Skora & Blundy (2010). Ces caractéristiques pourraient dénoter d’un problème d’atteinte de l’équilibre thermodynamique. En effet, pour une pression de 3 GPa, la staurotide est normalement thermodynamiquement instable dans les systèmes siliceux (Ganguly, 1972). Skora & Blundy (2010) ont alors avancé l’hypothèse que la difficulté de nucléation du grenat pouvait expliquer la nucléation métastable de staurotide. Ils ont ainsi suggéré que l’utilisation
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d’un gel ou d’un verre comme produit de départ et/ou une durée d’expérience plus longue pourrait permettre d’avoir un assemblage à l’équilibre thermodynamique (avec grenat et disthène).
Certains indices tendent à faire penser que les conditions de ƒO2 sont particulièrement oxydantes pour cette série d’expériences. La présence d’anhydrite pour les expériences dopées en soufre (PEL42 et PEL43) et la présence d’oxydes ferro-titanés (pour les expériences PEL41 et PEL42) en sont de bons indicateurs. Nous avions proposé en section II.1.4.4 que les conditions de ƒO2 avaient tendance à augmenter avec le temps et que trois hypothèses pouvaient expliquer cette augmentation. Dans ce cas précis, il est fort probable que l’augmentation de la fugacité en oxygène soit causée par une diffusion de l’hydrogène à travers les parois des capsules causant une déshydratation progressive des charges expérimentales (car la durée des expériences est longue : 340h). D’une part, parce que si l’on fait un calcul de bilan de masses pour estimer le pourcentage d’eau contenu dans l’assemblage subsolidus (en prenant en compte la proportion de phases hydroxylées et le pourcentage d’eau dans ces phases), il subsiste un déficit de 6.5 à 7 wt% H2O par rapport à la teneur initiale dans le produit de départ (8.53 wt% H2O) ; d’autre part, parce que la masse des capsules a fortement diminuée (de 12 à 20 %) entre le début et la fin de l’expérience.
Les résultats obtenus pour cette série d’expériences sont donc à prendre avec beaucoup de précaution.