Minéraux en coexistence avec des liquides de type néphélinite-phonolite et des liquides

Cette section traite des phases cristallines qui coexistent avec les liquides silicatés et carbonatés présentés dans la chapitre IV. Les expériences d’immiscibilité entre liquides silicatés de type néphélinite-phonolite et liquides carbonatés ont été réalisées à 725-975 °C et 0,2-1,5 GPa. Au total 34 échantillons ont été synthétisés, dont la plupart présentent des cristaux coexistant avec les deux liquides (voir Tableau VI.1). A l’exception de certaines expériences (T14, AK05 et AK06), 4 échantillons expérimentaux contenant le même produit de départ ont été synthétisés à chaque condition P-T (Tableau VI.1): un échantillon avec le matériel de départ seul (noté …_01), ainsi que trois échantillons avec du graphite rajouté (…_02), de l’eau (…_03), ou alors avec les deux constituants (…_04). Plusieurs systèmes sont ainsi testés dans ces expériences : le système néphélinite-carbonatite seul correspondant au protocole de Kjarsgaard (1998) (composition Mix8, contenant < 1% poids de H2O), un système réduit (Mix 8 + graphite) et un système hydraté (Mix 8 + H2O). Ceci permet de comparer pour chaque condition P-T les phases formées ainsi que leurs compositions. Seuls deux échantillons ont été synthétisés à partir du Mix 9 et Mix 10 (voir partie III.1.2), à 725 °C et 0,4 GPa (Tableau VI.1).

Au total, 12 minéraux différents ont été identifiés en coexistence avec les liquides silicatés et carbonatés, dans les échantillons synthétisés dans le système simple (Mix 8 uniquement), dans le système réduit (+ graphite) et dans le système plus hydraté (+ H2O rajoutée dans les capsules ; Tableau VI.1):

- clinopyroxène (CPx) : ces minéraux (de formule (Na,Ca,Mg,Fe) (Mg,Fe,Al) (SiO3)2) sont

observés dans tous les échantillons (à l’exception de l’échantillon AK01_02, synthétisé à 925 °C et 0,2 GPa dans le système réduit ; Tableau VI.1) et constituent les phases principales cristallisées dans ces expériences. Les cristaux font en général entre 5 et 30 µm (Fig.VI.1a, c, e, f et g ; Fig.VI.2a, b, e, f et h) et peuvent parfois mesurer jusqu’à plus de 200 µm de longueur (Fig.VI.1b, c d ; Fig.VI.2b et c). Ils présentent pour la plupart une forme automorphe. Ils sont parfois zonés (Fig.VI.1a et f) : on peut effectivement observer un cœur plus sombre dans certains cristaux. Les clinopyroxènes sont contenus dans le liquide silicaté, mais peuvent également être observés dans des zones de liquides carbonatés aussi bien à haute température et haute pression (925 °C et 1,5 GPa, Fig.VI.1e et f) qu’à des conditions P-T plus basses (825°C et 0,4 GPa, Fig.VI.2b).

- grenat (Gnt) : des cristaux de grenat ((Ca,Fe,Mg,Mn)3 (Al,Fe,Cr)2 (SiO4)3) sont observés dans les échantillons du système simple à haute température (> 925 °C), et également dans les échantillons hydratés à haute et basse température (Tableau VI.1). Les cristaux sont généralement de très petite taille à haute température (< 10-15 µm ; Fig.VI.1a et c) et sont plus grands à plus basse température (15 à 50 µm ; Fig.VI.2e et g). Un échantillon très hydraté (AK05_05, + 10% poids de H2O) présente des cristaux de très grande taille (200 µm de

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largeur ; Fig.VI.2d). Ces minéraux sont généralement automorphes et peuvent présenter des zonations, qui sont beaucoup moins prononcées que celles des clinopyroxènes.

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Tableau VI.1. Conditions expérimentales des expériences d’immiscibilité entre liquides silicatés de type néphélinite-phonolite et liquides carbonatés. P: pression totale; T: température; H2: pression partielle d’hydrogène; LS: liquides silicaté; LC: liquide carbonaté; CPx: clinopyroxène ; Cc: calcite; Ttn: titanite; Fe-Spl: ferro-spinelle (solution solide magnétite-titanomagnétite); Al-Spl: alumino-spinelle; Ilm: ilménite; Nph: néphéline; Afs: feldspath alcalins; Prv: pérovskite; Ap: apatite; Gnt: grenat; Mll: mélilite; Phl: phlogopite; V: phase vapeur; *: estimé à partir de calcul de bilan de masse ; G : graphite ;

Expériences ^{Produit P T surfusion T H2 Durée} Capsule ^{+ H2O + G} Phases observées

de départ (GPa) (°C) (°C) (MPa) (h) (% poids) (% poids)

T14_01 Mix 8 0.8 - 975 - 116 Au80Pd20 - - LS + LC + CPx + Fe-Spl + Gnt + V T14_02 Mix 8 0.8 - 975 - 116 Au80Pd20 0.2 - LS + LC + CPx + Fe-Spl + Gnt + V T16_01 Mix 8 0.8 1100 950 - 118.5 Au80Pd20 - - LS + LC + CPx + Ttn* + Gnt* + V T16_02 Mix 8 0.8 1100 950 - 118.5 Au80Pd20 - 1 LS + LC + CPx + Nph + Fe-Spl* T16_03 Mix 8 0.8 1100 950 - 118.5 Au80Pd20 4.5 - LS + CPx* + Fe-Spl + V T16_04 Mix 8 0.8 1000 950 - 118.5 Au80Pd20 5.4 1 V + LS

T18_01 Mix 8 1.5 1000 925 - 118.5 Au80Pd20 - - LS + LC + CPx + Cc + Fe-Spl + Afs + V

T18_02 Mix 8 1.5 1000 925 - 118.5 Au80Pd20 - 1 LC + CPx + Al-Spl + Ilm + Nph + Afs + V

T18_03 Mix 8 1.5 1000 925 - 118.5 Au80Pd20 2.1 - LS + LC + CPx + Cc + Fe-Spl

T18_04 Mix 8 1.5 1000 925 - 118.5 Au80Pd20 1 1 LS + LC + CPx + Cc + Fe-Spl

T17_01 Mix 8 0.8 1000 925 - 119 Au80Pd20 - - LS + LC + CPx + Ttn + Fe-Spl + Gnt + V

T17_02 Mix 8 0.8 1000 925 - 119 Au80Pd20 - 1 LS + LC + CPx + Ttn + Nph + Afs + Cc* + Fe-Spl* + Ap* + V

T17_03 Mix 8 0.8 1000 925 - 119 Au80Pd20 4 - LS + CPx* + Fe-Spl + V

T17_04 Mix 8 0.8 1000 925 - 119 Au80Pd20 3 1 LS + LC + CPx + Fe-Spl + V

AK02_01 Mix 8 0.4 985 925 0.5 118 Au - - LS + LC + CPx + Cc +Ttn + Fe-Spl* + V

AK02_02 Mix 8 0.4 985 925 0.5 118 Au - 1 LS + LC + CPx + Cc + Ttn + Al-Spl + Nph + Prv + V

AK02_03 Mix 8 0.4 985 925 0.5 118 Au 1.6 - LS + Cpx + Fe-Spl* + V

AK02_04 Mix 8 0.4 985 925 0.5 118 Au 1 1 LS + LC + CPx +Ttn + Fe-Spl* + V

AK01_01 Mix 8 0.2 985 925 0.5 122 Au - - LS + CPx + Al-Spl + Nph + Prv + Ap + Mll + V

AK01_02 Mix 8 0.2 985 925 0.5 122 Au - 1 LS + Al-Spl + Nph + Prv + Ap + Mll + V

AK01_03 Mix 8 0.2 985 925 0.5 122 Au 1.3 - LS + Cpx + Prv + Gnt + Mll + V

AK01_04 Mix 8 0.2 985 925 0.5 122 Au 2.7 1 LS + Cpx + Prv + Mll + V

T19_01 Mix 8 0.8 1000 850 - 120.5 Au80Pd20 - - LS + LC + CPx + Cc + Ttn + Fe-Spl + Nph + Afs + V

T19_02 Mix 8 0.8 1000 850 - 120.5 Au80Pd20 - 1 LC + CPx + Cc + Ttn + Fe-Spl + Ilm + Nph + Afs + V

T19_03 Mix 8 0.8 1000 850 - 120.5 Au80Pd20 3 - LS + LC + CPx + Cc + Ttn + Fe-Spl + Ap + V

T19_04 Mix 8 0.8 1000 850 - 120.5 Au80Pd20 3 1 LS + LC + CPx + Cc + Ttn + Fe-Spl + Nph + V

AK05_01 Mix 8 0.4 1000 825 0.1 63 Au - - LS + LC + CPx + Cc + Ttn + Fe-Spl + Nph + Ap + V

AK05_02 Mix 8 0.4 1000 825 0.1 63 Au 2 - LS + LC + CPx + Cc + Ttn + Fe-Spl + Ap + V

AK05_03 Mix 8 0.4 1000 825 0.1 63 Au 4 - LS + LC + CPx + Cc + Ttn + Fe-Spl + Ap + Gnt + V

AK05_04 Mix 8 0.4 1000 825 0.1 63 Au 2 1 LC + CPx + Cc + Ttn + Fe-Spl + Nph + Afs + V

AK05_05 Mix 8 0.4 1000 825 0.1 63 Au 10 - LS + LC + CPx + Cc + Fe-Spl + Ap + Gnt + V

AK06_01 Mix 8 0.4 950 725 0.1 450 Au 5 - LS + LC + CPx + Cc + Ttn + Fe-Spl + Ap + Gnt + Phl + V

AK06_02 Mix 9 0.4 950 725 0.1 450 Au 5 - LS + LC + CPx + Cc + Ttn + Fe-Spl + Ap + Gnt + Phl + V

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A relativement haute température (950 et 975 °C) les cristaux de grenat sont formés tout autour de cristaux d’oxydes (Fig.VI.1a). Aucun grenat n’a été observé en conditions de fO2 réduites.

- calcite (Cc) : La calcite (CaCO3) est présente dans les échantillons des trois systèmes (simple,

réduit et hydraté). On peut trouver des cristaux en coexistence avec les liquides à partir de 925 °C, aussi bien à haute pression (1,5 GPa, échantillons T18 ; Fig.VI.1e et f) qu’à basse pression (0,4 GPa, de 725 à 825 °C ; Fig.VI.2). Tous les cristaux de calcite observés ont une forme globulaire et arrondie. Cette forme de globule a déjà été caractérisée dans la littérature, en coexistence avec des liquides carbonatés et silicatés (Brooker and Hamilton, 1990). Les cristaux peuvent être accolés à d’autres cristaux (Fig.VI.1e à h, Fig.VI.2), isolés (Fig.VI.1a, f et g) ou encore en contact net avec le liquide carbonaté (Fig.VI.1e ; Annexe B, Fig.B.1d et f).

- titanite (Ttn): Des cristaux de titanite (CaTiSiO5) ont été observés à des températures < 925

°C et entre 0,4 et 0,8 GPa dans les trois systèmes, à l’exception du système hydraté où ils n’apparaissent qu’à des températures < 825 °C. Aucun cristal n’a été observé à basse et haute pression (respectivement 0,2 et 1,5 GPa ; Tableau VI.1). Les cristaux sont automorphes, présentant parfois une section rhomboédrique bien marquée (Fig.VI.2a et g). Ils sont généralement de petite taille (< 20 µm); certains échantillons présentent des cristaux plus grand, jusqu’à 50µm (Fig.VI.1h ; Fig.VI.2e).

- néphéline (Nph) : La néphéline (Na3KAl4Si4O16) est principalement présente en conditions de

fO2 réduites (avec du graphite), entre 850 et 950 °C. Des cristaux ont également été caractérisés dans trois échantillons du système simple (T19_01, AK05_01 et AK01_01 ; Tableau VI.1), mais aucun n’a été observé dans les échantillons hydratés. Les cristaux de néphéline sont très foncés (Fig.VI.1a et VI.1b, Fig.VI.2a), et présentent le plus souvent une section tétraédrique (Fig.VI.1b et g) ou hexagonale (Fig.VI.2a ; Annexe B, Fib.B.1b).

- spinelle (Spl) : Des spinelles ((Mg,Mn,Fe)(Fe,Cr,Al)O4) ont été observés dans pratiquement tous les échantillons (Tableau VI.1). Des spinelles plus riches en Fe (notés Fe-Spl) ont été caractérisés dans les échantillons du système simple et hydraté. Dans le système à conditions de fO2 réduites, les Fe-Spl sont remplacés par des alumino-spinelles (Al-Spl) à 925 °C à haute pression (1,5 GPa) et basse pression (0,2 et 0,4 GPa). Ces cristaux très clairs sont généralement de petite taille (Fig.VI.1a, e à g) et semi-automorphes (Fig.VI.1e et f).

- apatite (Ap): Des cristaux d’apatite (Ca5(PO4)3(OH,Cl,F) ont été observés à basse pression (< 0,4 GPa) dans les échantillons du système simple, à des conditions P-T intermédiaires dans le système réduit (< 0.8 GPa et 925 °C) et à basse température dans les échantillons hydratés (< 850 °C). Ces cristaux sont en général rares, à l’exception des échantillons synthétisés à basse température (< 825 °C) où ils sont plus abondants. Les apatites sont semi-automorphes à xénomorphes, le plus souvent de taille très petite (< 10 µm) et présentent une texture très poreuse (Fig.VI.2c, e et f). Les cristaux des échantillons à basse pression et basse température sont plus grands (jusqu’à 20µm de largeur ; Fig.VI.2f).

- feldspaths alcalins (Afs) : Quelques cristaux de feldspaths alcalins ((Na,K)AlSi3O8) ont été identifiés dans certains échantillons ne contenant que le produit de départ ou contenant du graphite, à haute pression (> 0,8 GPa) et à 850 et 925 °C (Tableau VI.1). Ces cristaux sont en général en forme de baguettes (Fig.VI.1d) et assez foncés.

- pérovskite (Prv): De rares cristaux de pérovskite (CaTiO3) ont été observés à basse pression

et basse température (échantillons « AK01… », 925°C et 0,2 GPa). De très petits cristaux (< 10 µm) clairs ont également été observés dans un échantillon synthétisé à 925 °C et 0,4 GPa (échantillon AK02_02, avec du graphite), entourés d’alumino-spinelles et de néphéline.

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Figure VI.1. Textures des minéraux observés dans les échantillons expérimentaux synthétisés à haute pression et haute température (850-975 °C et 0,8-1,5 GPa) ; LS : liquide silicaté ; LC : liquide carbonaté ; CPx : clinopyroxène ; Gnt : grenat ; Cc : calcite ; Nph : néphéline ; Ttn : titanite ;Afs : feldspaths alcalins ; Fe-Spl : ferro-spinelle ; Au₈₀Pd₂₀ : capsule en Or et en Pd.

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Figure VI.2. Textures des minéraux observés dans les échantillons expérimentaux synthétisés à basse pression (0,2-0,4 GPa, et 725-925 °C); LS : liquide silicaté ; LC : liquide carbonaté ; CPx : clinopyroxène ; Gnt : grenat ; Cc : calcite ; Nph : néphéline ; Ttn : titanite ;Afs : feldspaths alcalins ; Fe-Spl : ferro-spinelle ; Al-Spl : alumino-spinelle ; Prv : pérovskite ; Ap : apatite ; Phl : phlogopite ;

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- autres minéraux : du phlogopite (Phl ; K(Mg,Fe)3AlSi3O10) a été observé que dans les deux

échantillons hydratés synthétisés à 725 °C et 0,4 GPa (Tableau VI.1). Ces cristaux sont plus abondants dans l’échantillon AK06_02 contenant le Mix 9 (Mix 8 + 5% poids de K2CO3 ; voir partie III.1.2). Les cristaux sont relativement de petite taille, avec une largeur < 25 µm et une longueur pouvant atteindre plus de 100 µm (Fig.VI.2g). De la mélilite (Mll ; (Ca,Na)2(Mg,Fe,Al)(Al,Si)SiO7) a également été observée dans les quatre échantillons synthétisés à 0,2 GPa et 925°C. De plus, de rares cristaux d’ilménite (Ilm ; FeTiO3) ont été identifiés dans les échantillons réduits contenant du graphite, entièrement cristallisés et ne contenant pas de liquide silicaté (Tableau VI.1).

Tous les échantillons (sauf l’échantillon T16_04) présentent au moins une phase cristalline (Tableau VI.1). Ces cristaux sont en général contenus dans le verre silicaté et parfois dans le liquide carbonaté. Certains échantillons contenant du graphite ne présentent pas de verre silicaté et ne contiennent que du liquide carbonaté en coexistence avec des cristaux (Tableau VI.1 : T18_02, T19_02 et AK05_04). De plus, dans la plupart des échantillons on peut observer la trace de bulles de vapeur (Fig.V.1.a et V.2.d dans le chapitre V ; Annexe B, Fig.B1b et d), indiquant la présence d’une phase fluide coexistant avec les deux liquides et les cristaux (notée « V » dans le Tableau VI.1).

Les diagrammes de phase P-T résumant les phases cristallines obtenues et décrites précédemment pour chaque type d’échantillon sont représentés (Fig.V.3): dans le système simple (Mix 8 uniquement ; Fig.VI.3a), dans le système réduit (+ graphite ; Fig.VI.3b) et dans le système plus hydraté (+ H2O rajoutée dans les capsules ; Fig.VI.3c). Pour plus de simplicité, aucun diagramme de phase n’est présenté pour le système avec de l’eau et du graphite (échantillon …_04) car il n’a pas été testé dans toutes les conditions P-T (voir Tableau VI.1) et les phases formées sont les mêmes que celles observées dans les autres systèmes. Ces diagrammes permettent d’observer les conditions P-T d’apparition des différents cristaux dans ces trois systèmes.

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Figure VI.3. Diagrammes de phases pression-température pour le système simple (a), le système réduit avec ajout de graphite dans la capsule (b) et le système plus hydraté (c). Les points gris foncés correspondent aux expériences réalisées ; celles de Kjarsgaard (1998) sont également représentées dans la système simple (gris clair, a). Chaque ligne correspond à un minéral : le minéral est présent dans l’expérience pour tous les points situés en-dessous de cette ligne. Pour certains minéraux (mélilite, pérovskite et apatite) les lignes ont été ajustées par rapport aux phases caractérisées par Kjarsgaard (1998; points gris clairs). LS : liquide silicaté ; LC : liquide carbonaté ; CPx : clinopyroxène ; Gnt : grenat ; Cc : calcite ; Ttn : titanite ; Nph : néphéline ; Fe-Spl et Al-Spl : Fe- et Al-spinelle ; Afs : feldspaths alcalins ; Ap : apatite ; Prv ; perovskite ; Mll : mélilite ; Ilm : ilménite ; Phl : phlogopite.

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