Thèse soutenue par Guillaume Siron, le 12 mai 2017, Institut des sciences de la terre (ISTE)
Les grandes forces qui s’exercent à l’intérieur de la Terre sont responsables de la tectonique des plaques, c’est à dire du mouvement de grandes parties de la Terre qui parfois se rencontrent dans ce que l’on appelle des zones de convergences. Ces zones sont connues pour être le lieu principal de séismes mais aussi d’éruptions volcaniques.
L’interaction entre des fluides mobiles et les roches environnantes est un des processus qui impact ces deux manifestations souvent meurtrières. Néanmoins, une roche est un agrégat de minéraux et ne comporte donc plus le fluide responsable de l’équilibration entre ces différents minéraux.
L’étude de l’évolution des fluides à l’intérieur de la Terre nécessite donc de comprendre l’équilibre entre les minéraux accessibles à l’intérieur des roches échantillonnées à la surface de la terre et le fluide au moment de la formation de ceux-ci, souvent plusieurs millions d’années auparavant.
Cette thèse a pour but de comprendre l’équilibre entre un minéral hydraté, c’est-à-dire avec de l’eau sous forme OH– dans sa structure atomique, et les fluides lors de réactions métamorphiques.
Pour cela je me suis focalisé sur l’étude de la biotite car ce minéral est stable dans de nombreuses conditions et participe à beaucoup de réactions. Néanmoins les roches métamorphiques ont une structure particulière qui est la conséquence de l’action conjugué de la cristallisation de minéraux en équilibre lors de ces réactions et parfois de déformations. Il faut donc être capable d’analyser les minéraux dans leur contexte à l’intérieur des roches étudiées, pour ce faire de nombreuses méthodes in-situ ont été développées. La plupart de ces méthodes sont entravées par ce que l’on appel des effets de matrice, c’est-à-dire que la composition du minéral analysé ne varie pas de manière linéaire par rapport aux résultats de mesures, ces résultats peuvent même varier en fonction de la composition d’autres éléments du minéral analysé.
Cela est particulièrement vrai pour la méthode principale utilisée dans cette thèse qui est la microsonde ionique (SIMS). Connaître la vraie valeur de la variable que l’on souhaite analyser nécessite donc d’avoir des matériaux de référence où l’on connaît cette valeur de manière indépendante. Pour cela j’ai sélectionné des échantillons de biotites où nous avons accès à suffisamment de matériel (i.e. plusieurs centaines de grains voire milliers) pour faire une analyse d’un certains nombres de grains et connaître la vraie valeur à la fois en isotopes de l’oxygène et en teneur en chlore, fluor et eau. Les isotopes d’un élément sont des atomes avec un nombre différent de neutrons à l’intérieur du noyau, cela se traduit par une masse différente, ici les masses 16 et 18 de l’oxygène sont analysées.
Lors d’une analyse in-situ en utilisant la SIMS, le rapport isotopique (16O/18O; directement analysé est en réalité biaisé par la composition en fer et magnésium et en fluor du grain de biotite analysé. Il faut donc appliquer une confection pour obtenir la vrai valeur des isotopes de l’oxygène. Il en va de même pour la teneur en eau, même si le nombre de variable biaisant les résultats est inférieur (seule la composition en fer et magnésium à un impact). La teneur en chlore et en fluor est encore plus simple à déterminer puisqu’elle n’est qu’une fonction polynomiale de second ordre du rapport isotopique mesuré à la SIMS (respectivement 19F/28Si et 35Cl/30Si pour le fluor et le chlore).
L’utilisation de la méthode de détermination des teneurs en OH-F-CI avec la SIMS a permis de mieux comprendre la cinétique d’échange entre le fluide et la biotite lors du métamorphisme. En effet en analysant des biotites dans la matrice et en inclusion dans des minéraux anhydres, supposé gardé inchangé la composition de la biotite lors de l’exhumation des roches, le fait que les teneurs en OH-F-CI soient les même pour ces deux différents contextes texturaux indique que la biotite maintien sa composition lors de 1’exhumatiorVrefroidissement et que la teneur en OH-F-CI mesurée représente la composition au moment de plus haute température, qui nous intéresse dans le cadre du métamorphisme.
Le fait que la teneur en fluor et en chlore ne présente pas d’évolution lié à la température pour les différents échantillons équilibré à différentes température implique que le fluor et le chlore n’échange que très difficilement lors du métamorphisme. Les teneurs représentent donc plutôt l’accessibilité de ces éléments au moment de la cristallisation de la biotite à moyenne température (environs 500°C). Pour changer ces teneurs il est nécessaire de recristalliser un grain de biotite lors d’une réaction métamorphique à plus haute température, et cela en équilibre avec un fluide d’une composition complètement différente du fluide en équilibre avec la première cristallisation de ce grain de biotite.
La signification de la teneur en eau de la biotite est un peu plus complexe car elle est en fait un marqueur de la présence ou non d’un fluide métamorphique aux joins de grains. En résumé, plus il y a d’eau aux joins de grains plus il y a d’eau qui peut rentrer à l’intérieur de la structure atomique de la biotite.
La compréhension de l’équilibre entre la teneur en chlore dans les biotites et le fluide métamorphique a permis de mettre en évidence l’infiltration d’un fluide provenant d’une chambre magmatique aujourd’hui à l’affleurement en Patagonie dans le massif du Torres del Paine.
En effet les teneurs en chlore des biotites loin de l’intrusion sont assez faibles, mais pour quelques échantillons proches de l’intrusion elles augmentent de manière significative. Cela est cohérent avec les analyses de biotites provenant des roches magmatiques adjacentes qui ont une teneur en chlore très importante. Le fluide expulsé très tôt lors de la cristallisation du magma de composition granitique a percolé et s’est équilibré avec les biotites des roches juste au contact entre le magma encore chaud et les sédiments en train d’être chauffes.
Cette augmentation de température des sédiments s’accompagne de réactions métamorphiques qui cristallisent des biotites à moyennes température (environs 470°C) et d’autre minéraux à plus haute température (environs 520°C) lors d’une seconde réaction. Cette seconde réaction implique la recristallisation des biotites déjà présente suite à la première réaction, cela permet d’échanger le chlore du fluide avec ces biotites et donc de modifier la teneur en chlore de ces mêmes biotites. Puisque la teneur en chlore n’est pas modifié lors du refroidissement des roches, la teneur mesurée aujourd’hui représente bien la teneur au moment de l’infiltration du fluide magmatique.
