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Contribution à l'étude des skarns de Costabonne (Pyrénées orientales, France) et à la théorie de la zonation métasomatique

By Bernard Guy

Abstract

thèse de doctorat d'état; texte de synthèse en français et en anglaisIn this work, one will find a description of some natural rocks as well as a discussion of some theoretical tools that may be used to approach metasomatism i. e. chemical transformation of rocks. At Costabonne (Pyrenees, France), skarns are developped within the lower levels of the Cambrian "Canaveilles" sequence, at the contact with the Hercynian Costabonne granite. Several types of rocks undergo skarnization: granites, calcitic and dolomitic marbles, calcic hornfelses, pelitic schists and brucite marbles. The most characteristic systems of zones that are visible within the first four types of rocks are described. The transformations must occur during a large interval of physical and chemical conditions and this is responsible for changes with time of the metasomatic zonings. This is particularly conspicuous in the case of skarns on dolostones. These conditions may have varied from (P > 2kb, T> 680°C) for the beginning (probably magmatic (or metamorphic ?) waters) down to (P < 2kb, T < 200*C) for the last stages (two types of meteoric waters). These estimates lie on data on fluid inclusions and on geochemistry of stable isotopes (H, O, C, S) for which a synthesis is given. The transformation of marbles is mainly guided by the addition of silica whereas that of granites (and of schists) is guided by the addition of calcium. The spatial behavior of some chemical elements is described. The several types of zonings are illustrated by photographs. The model of chromatography as set forth by Korzhinskii (1970) allows a qualitative understanding of the formation of metasomatic rocks, especially concerning the propagation of sharp fronts that are a characteristic feature of skarns. This model has been revisited and made more clear from a theoretical point of view. The very conditions for the appearance of sharp fronts (that lie in the conflict between the velocities of the different compositions) are precisely stated for arbitrary initial and boundary conditions. It is convenient to picture these fronts by true discontinuities from a mathematical point of view and this requires to rewrite the equations (in the framework of "distributions", and following what is usually done on that kind of problem or "hyperbolic problem"). The existence and propagation of discontinuities are integrated in the model through a condition that is derived from the second law of thermodynamics and that must be added to the mass-balance equation: a front thus expresses that some compositions are unstable. This model has a more general interest and allows one to discuss the onset of discontinuities whenever there is a differential movement between two entities (aqueous fluid / solid, magmatic liquid / solid) with a tendancy to local equilibrium. Some possible applications to other fields (diagenesis, magmatism) are briefly described. One expects that in some specific conditions, "strata" may appear during compaction, or that a magma may separate into distinct groups with different composition, along its transport. A model allowing porosity variations is set forth. Examples of numerical simulations for one and two chemical components are given. In the case of two components, the effect of couplings is discussed. In some particular conditions, the zonings may show alternations ABAB and so on, and the situation of this type of zoning in the framework of the overall model is discussed. At last two other approaches are explained: in the first one the number of degrees of freedom according to the phase rule is established and makes the connection of the overall system of zones appear. In the second approach a preliminary proposition is set forth: a metrics can be defined in chemical potential diagrams by the use of the phenomenological coefficients Lij; in this framework a least distance principle (under some conditions that are stated) allows to connect two points of the diagram that picture contrasted chemical situations and thus to define a path. The work is ended by some epistemological remarks, concerning, in particular the problem of the "scientific" understanding of singular events. These results are based on the works of a whole group, mainly in Saint-Etienne.Ce travail propose des éléments de description de roches naturelles en même temps qu'une réflexion sur quelques outils théoriques permettant d'appréhender la formation des roches métasomatiques, c'est à dire qui dérivent de transformations chimiques. A Costabonne (Pyrénées Orientales, France), des skarns se développent dans les niveaux de base de la série cambrienne de Canaveilles, au contact du granite hercynien dit de Costabonne. Plusieurs types de roches se font transformer en skarns: granites, marbres calcaires et dolomitiques, cornéennes calciques, schistes pélitiques et marbres à brucite. Les principaux systèmes de zones métasomatiques qui se développent sur les quatre premiers types de roches sont décrits. .Les transformations se font sur toute une gamme de conditions, ce qui peut amener les systèmes de zones à évoluer au cours du temps: ceci est particulièrement net dans le cas des skarns sur dolomies. Les conditions ont pu varier de (P > 2kb, T> 680°C) pour le début de la formation des skarns (eaux magmatiques -ou métamorphiques?-) jusqu'à (P < 2 kb, T < 200°C) pour les derniers stades (deux types d'eaux météoriques). Ces estimations reposent sur des données sur les inclusions fluides et la géochimie des isotopes stables (H, O, S, C) dont on propose une synthèse. La transformation des marbres est guidée au premier chef par l'apport de la silice et du fer tandis que celle des granites (et des schistes) est guidée par l'apport du calcium. Un aperçu sur le comportement spatial de divers éléments chimiques est donné. Les divers types de zonations sont illustrés par des photographies. Le modèle de la chromatographie proposé par Korzhinskii (1970) décrit de façon qualitative la formation des roches métasomatiques, et en particulier la propagation de fronts nets de transformation qui sont une caractéristique essentielle des skarns. Ce modèle a été repris et clarifié du point de vue théorique. Les conditions d'apparition même des fronts qui tiennent au conflit entre les vitesses des différentes compositions, sont reprécisées pour des conditions initiales et aux limites pouvant être quelconques. Il est commode de représenter ces fronts par des vraies discontinuités mathématiques, ce qui conduit à reprendre les formulations en se plaçant dans le cadre dit des distributions (en suivant ce qui est fait habituellement sur ce type de problème ou problème hyperbolique). L'existence et la propagation de discontinuités s'intègrent alors dans le modèle par une condition dérivée du second principe de la thermodynamique à rajouter au bilan matière: le front traduit ainsi l'instabilité d'une partie des compositions. Tout ceci a un intérêt plus général et permet de discuter l'apparition de discontinuités de composition à chaque fois qu'un mouvement différentiel entre deux entités (fluide aqueux/solide, liquide magmatique/solide) avec tendance à l'équilibre chimique a lieu. Des pistes d'application dans d'autres domaines (diagenèse, magmatisme) sont proposées. On peut s'attendre à ce que dans certaines conditions des strates apparaissent par compaction, ou à ce qu'un magma se sépare en sous-groupes distincts de compositions différentes au cours de son transport. L'effet de la variation de la porosité est analysé. On propose ensuite des simulations numériques pour l'échange de un et deux constituants. Dans le cas de deux constituants, l'effet des couplages est discuté. Dans certaines conditions particulières, les zonations peuvent être récurrentes et présenter des alternances ABAB etc. et l'on replace la situation de ce type de zonation dans le cadre du modèle d'ensemble. On parle enfin de deux autres approches : la première repose sur le dénombrement des degrés de liberté dans le cadre de la règle des phases et fait apparaître un système de zones comme un système lié. Dans la seconde on fait la proposition préliminaire d'une métrique dans les diagrammes en potentiels chimiques en utilisant le tableau des coefficients phénoménologiques Lij ; dans ce cadre, un principe de moindre distance permet, dans des conditions qui sont précisées, de relier deux points du diagramme représentant des situations contrastées et définir ainsi un trajet. On termine par quelques réflexions à caractère épistémologique consacrées en particulier au problème de la compréhension " scientifique " d'événements singuliers. Ces résultats s'appuient sur les travaux de toute une équipe, essentiellement stéphanoise

Topics: metasomatic zoning, stable isotope geochemistry (H, O, C, S), theory of chromatography, hyperbolic problems, composition discontinuities, stability, numerical modeling, oscillations., skarns, Pyrénées, zonations métasomatiques, géochimie isotopique (H, C), modèle de la chromatographie, problèmes hyperboliques, discontinuités de composition, stabilité, simulation numérique, précipitations oscillantes, [ SDU.STU.GC ] Sciences of the Universe [physics]/Earth Sciences/Geochemistry, [ SDE.MCG ] Environmental Sciences/Global Changes, [ SDU.STU ] Sciences of the Universe [physics]/Earth Sciences
Publisher: HAL CCSD
Year: 1988
OAI identifier: oai:HAL:tel-00594768v2
Provided by: HAL-UJM
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