Contr. Mineral. and Petrol. 37, 47--64 (1972) 9 by Springer-Verlag 1972

Roches ~ sapphirine au contact des lherzolites pyr6n6ennes P. Monchoux Laboratoire de Min6ralogie et Cristallographie, Universit6 Paul Sabatier, Toulouse, France Regu le 19 juillet 1972 Supphirine Bearing Rocks along the Contact of P y r e n e a n Lherzolites Abstract. Sapphirine bearing rocks have been found in place along the northern contact of the bodies of Lherz and the one of Bois du Fajou, both localities in the department of Ari6ge, pyrenean district, France. Also they have been found in the vicinity of several other pyrenean bodies by the analysis of alluvial concentrates. Their geological, minerMogieal and geochemical characteristics have been studied in detail and have been compared with the characteristics of sapphirine bodies from foreign countries. It is therefore possible to determine ~ primary hornblende-spinel paragenesis, gradually passing, due to the contact with the lherzolites, to a sapphirine, anthophyllite, phlogopite, kornerupine, eordierite paragenesis. Later paragenesis are represented by the formation of chlorites and vermiculites from the phlogopite, of saponite deriving from eordierite. A chemical zonality adjusts to the mineralogical zonMity; it is mainly characterized by an increase of the Mg/Ca ratio, as the lherzolites are becoming closer. Results obtained from experiments made by a number of authors within the MgO-A1203--SiO2--H20 system have been assembled in a pit20, T diagram. From these results it is possible to deduct that conditions of formation for the sapphirine carrying rocks, have been in the vicinity of 800--900~ C and 6--9 kb. This result, plus various other arguments, lead to feel that we are in presence of crustal rock types, modified at depth by contact with the lherzolites then later lifted up at the time of intrusion.

E n eompl6ment des 6tudes d6j~ existantes (Lucroix, 1895; Ruvier, 1959; Av6 L u l l e m a n t , 1968), sur les ph6nom~nes de c o n t a c t des lherzolites pyr6n6ennes (production de brgehes lherzolithiques, m 6 t a m o r p h i s m e . . . ) , la d6couverte de roehes ~ sapphirine (Monchoux, 1969) f o u r n i t de nouvelles i n f o r m a t i o n s sur les proeessus de raise en place de ees lherzolites. Les roehes s sapphirine o n t 6t6 raises en 6vidence uu c o n t a c t de plusieurs massifs de lherzolite 1. Certains gisements (Ari~ge) out 6t6 trouv6s en place: plusieurs en bordure du massif de Lherz, u n autre au bois d u F a j o u . D ' a u t r e s gisements (Ari6ge), n o n affleurants, ont 6t6 r6v616s p a r analyses de coneentr6s alluvionnaires : u n duns le r a v i n de Plagnole, u n duns lu forgt de Freychin~de et u n duns le bois d u F a j o u (Fig. 1). La supphirine a 6t6 6galement rencontr6e en but6e par V e r n a d s k y et Parfenoff ( c o m m u n i c a t i o n personne]le) uu Tuc Desse et Arguenos ( I t u u t e - G a r o n n e ) . L'association des roches ~ sapphirine aux lherzolites pyr6n6ennes, d o n t on retrouve ainsi plusieurs exemples sur prgs de 100 k m d'extension, n ' e s t done pus Iortuite et serait p r o b l e m e n t eonfirm6e par prospeetion alluvionnaire a u voisinage d ' a u t r e s corps lherzolitiques. 1 L'auteur donne une description d6taill~e des divers gisements pyr6n~ens de sapphirine duns: Bull. Soc. Hist. nat. Toulouse, t. 108 (1972) (~ paraltre).

48

1). Monchoux:

T Fig. 1. Voies d'acc6s aux gisements. L Lherz; P Plagnole; F Freychingde; Fa Fajou

Les points off les roches s sapphirine sont le plus facflement observables en place sont les talus des trois branches de route qui coupent le contact entre les lherzolites de l'6tang de Lherz et les cMcaires m6sozoi'ques (Monchoux, 1969). Ces affleurements montrent, sur 15 ~ 20 m de puissance, une succession complexe de zones broy6es que l'on peut regrouper sch6matiquement en trois parties: 1. au contact des lherzolites, une zone br6chiqne ~ amphibolites et schistes micac6s s dipyre; 2. une zone ~ anthophyllite et vermiculite d'abord dominantes ou exclusives, s'enrichissant ensnite en sapphirine et hornblende, en Mlant vers les calcaires; 3. au contact des ca]eMres, de nouveau une zone ~ amphibolites et schistes micac6s ~ dipyre g6n6ralement br6chiques. I. Caractbres p6trographiques, min~ralogiques et ehimiques L'6tude p6trographique, min6ralogique et chimique a port6 sur des 6chantillons pr61ev6s ~ Lherz, sur ces derniers affleurements. Les schistes micac6s ~ dipyre, en tous points conformes anx descriptions de A. Lacroix (1895), seront 1Mss6s de e6t6.

A. Paragen$ses des principaux types de roches Les diff6rentes roches peuvent ~tre regroup6es autour de cinq types principaux, par rapport auxquels les variations sont faibles. Les 6chantillons (num6rot6s de 1 g 5) correspondant ~ ces cinq types, proviennent respectivement de l'affleurement le plus occidental (6ch. 1 ~ 3) et de l'affleurement le plus oriental (6ch. 4 et 5) de la z6ne 6tudi6e. On peut, en fair, consid6rer les trois premiers types comme des termes d'une s6rie de roches dont la composition min6rMogique varie quantitativement et qualitativement de fapon continue, en s'61oignant du contact des lherzolites. Les deux autres types correspondent ~ deux zones riches en saponite. Le Tableau 1 donne, approximativement, les abondanees relatives des min6raux dans les einq roches-types.

Roches s sapphirine au contact des lherzolites pyr6n6enncs

49

Tableau 1. Abondances relatives des min6raux dans les roehes-types. (AA: trgs abondant; A: abondant; r: rare) Ech~ntillon n ~

1

2

Vermiculites (~- micas et chlorites)

A

Anthophyllite

AA

Sapphirine

3

4

5

A

AA

A

AA

AA

A

ttornblende

r

Saponite

A

AA

Kornerupine

A

Spinelle

r

Tourmaline

r

Rn*.ile

A

Apatite

r

r

r

AA

AA

AA

AA

r

A A r

A

Calcite

A

Dipyre

r

A

La r6alisation de lames minces ~ partir de ees roches friables et riches en min6raux phylliteux, nc respecte pas la disposition relative initiale des minSraux, d6js perturb6e par le broyage tcctonique; il est ainsi difficile de d6terminer les relations de ees min6raux entre eux, en dchors des intcrcroissanees et des inclusions observges sur des grains isol6s de la roche. On peut rgeapituler, eomme suit, les observations pour l'ensemble des roches 6tudi6es. L'anthophyllite est fr6quemment en inclusion dans la sapphirine, mais peut aussi l'enrobcr; ees deux dispositions s'observent bien, par excmple, dans le 5 ~ t y p e (Fig. 3). La kornerupine contient parfois la sapphirine en inclusion, mais, en g6n6ral, les deux min6raux sont ind6pendants. I1 semble, ainsi, que l'anthophyllite la sapphirine et la kornerupine sont contemporains, et, t o u t au moins, que l'anthophyllite n'est pas postgrieure s la sapphirine. Dans le 2bme type, l'anthophyllite forme, g6n6ralement, une gaine continue autour de la hornblende, avec disposition coaxiale des fibres des deux amphiboles. L'anthophyllite, seule ou e n t o u r a n t la hornblende a 6galement 6t6 rencontr6e en inclusion dans la sapphirine. La hornblende semble done ant6rieure ~ l'anthophyllite et la sapphirine. Le futile Ir6quemment en inclusion dans l'anthophyllitc, dans la sapphirine, ou dans la kornerupine, lear est de m6me probablement ant6rieur. La saponite forme avec l'anthophyllite des faiseeaux de fibres coaxiales trbs finement imbriquSes. Si l'on suppose qu'elle provient de l'alt6ration d ' u n autre min6ral, celui-ci devait done gtre contemporain de l'anthophyllite. Le dipyre qui entoure parfois la sapphirine (4 ~ type), lui est post6rieur. Tous ces min6raux, saul les min6raux micae6s et la calcite intersticielle des 4 ~ et 5 ~ types, sont ~ tendanee automorphe. Au total, il semble apparaitre plusieurs paragengses superpos6es: 4

Contr. Mineral. a n d P e t r o l . , Vol. 37

50

P. Monchoux:

une paragengse secondaire d'alt6ration, s vermiculite (d6riv6e de phlogopite ?), saponite (d6riv6e de cordi6rite ?), calcite (?), des paragen~ses primaires, qui sont, peut 6tre, de deux sortes: 1. prbs des lherzolites: anthophyllited-sapphirined-kornerupine+phlogopite (?) -~ cordi6rite (?) (ler, 4~me et 5~me types), 2. loin des lherzolites: hornblende d-spinelle (35me type). Le 2brae type serait un terme de transition entre le 3~me et le ler type.

B. Composition chimique des roches Les analyses des roches correspondant aux cinq types choisis, sont donn6es dans le Tableau 2 (analyses S. Laffont). On remarque, tout d'abord, que ces roches different nettement des lherzolites, principalement par leurs teneurs plus fortes en AI20 aet plus faibles en MgO. On constate d'autre part une 6volution dans les trois 6chantillons 1, 2 et 3: en s%loignant des lherzolites (de l%ch. 1 ~ l%ch. 3), ]a teneur en silice diminue, les teneurs en aluminium et surtout en calcium augmentent; le rapport MgO/CaO prend les valeurs d6croissantes: 15,9 (6ch. 1), 8,1 (6ch. 2) et 1,6 (6ch. 3). Les comparaisons sont plus di~ficiles avec les 6chantillons 4 et 5, en raison de la pr6sence de calcite (et peut-~tre de dolomite) seeondaire; les compositions recalcul6es en affectant tout le CO2 ~ la calcite se rapprochent de celle de l%chantillon 2. Les pertes au feu importantes de tous]es 6chanti]lons, sont attribuables aux vermiculites et ~ la saponite. Tableau 2. Analyses des roches ~ sapphirine 1

2

3

4

5

4a

5a

37,9 19,1 7,9 10,7 17,2 1,3 0,8 nd 4,4

23,0 9,4 3,5 23,9 14,6 0,8 0,04 19,0 5,3

23,6 11,1 6,8 20,8 13,0 0,1 0,0 15,7 8,9

40,7 16,5 6,2 0,0 25,8 1,4 0,07 0,0 9,4

36,9 17,4 10,6 0,8 20,2 0,15 0,0 0,0 13,9

99,3

99,54

100,0

100,07

99,95

SiO2 AleOa F%03b CaO MgO Na20 K~O COs Perte au feu

45.3 15,3 5,9 1,4 22,3 0,8 0,08 9,2

42,7 16,3 6,0 3,2 24,6 0,3 0,1 nd 6,6

Total

100.28

99,8

a Compositions recalcul6es en 61iminant, sous forme de calcite, le CO2 dos6. b Fer total exprim6 en Fe20s. Les r6sultats d'analyses semi-quantitatives des 616ments mineurs (analyses L. Ortelli), effectu6es sur des 6chantillons de plusieurs zones des affleurements 6tudi6s, montrent des diff6rences radieales avec les lherzolites. Certains 616ments (Be, B, Ga, Zr), eontenus dans le roehes de ces gisements, n'ont pas 6t6 d6cel6s dans la lherzolite. Inversement, le chrome, pr6sent en quantit6 notable (0,3 0,5%) dans les lherzolites est r6guli~rement absent de t o u s l e s 6chantfllons. Mn, Co et Ni sont en plus forte teneur dans les lherzo]ites; Ni semble diminuer progressivement (de 200 ~ 70 g/t dans l'affleurement oecidental),lorsqu'on s%loigne des lherzolites.

l~oches s sapphirine au contact des lherzolites pyr6n6ennes

51

C. Caractgres mindralogiques et chimiques des principaux mindraux Les p r i n c i p a u x m i n 6 r a u x des roches ~ sapphirine sont d6crits ci-dessous. Les compositions chimiques, propri6t6s optiques et densit6s en s o n t donn6es d a n s le T a b l e a u 3. Tableau 3. Composition chimique des min6raux des roehes/~ sapphirine de Lherz

SiO e TiO 2 Al,O 3 F%Oa Cr203 FcO MnO MgO CaO Na20 K20 B203 Perte au feu Total

Sapphirine pale (6ch. 5)

Sapphirine fonc6e (6ch. 2)

Kornerupine (6ch. 5)

Saponite Antho(@ anth.) phyllite (6ch. 5) (6ch. 2)

Hornblende (6ch. 2)

Hornblende (6ch. 3)

15,6 nd 61,1 1,2 0,0 2,3 nd 18,9 nd nd nd nd 1,3

14,4 nd 60,8 4,8 0,0 2,0 nd 16,3 0,5 0,1 0,1 nd 1,4

28,3 0,2 39,2 4,2 0,0 2,1 nd 20,2 0,9 0,2 0,1 2,3 1,9

44,1 nd 12,1 6,0 0,0 0,0 nd 16,2 1,4 0,3 0,09 nd 20,0

47,1 0,4 9.9 4.3 nd 3,4 0,04 20,0 11,8 0,7 0,2 nd 2,0

42,5 0,6 9,4 10,6 nd 2,7 0,1 18,3 1,25 1,3 0,7 nd 1,2

100,4

100,4

99,6

100,19

99.84

99,6

6,261 1,627~ 7,89

49,7 0,0 8,8 4,9 nd nd 5,0 0,08 27,6 1,6 0,7 0,0 nd 1,8 100,18

Nombre d'ions

base 10(0)

base 22(0, OH)

base 24(0)

Si Al

0,917 ~. 0'856 / 1,00 0,083) 100 0,144 j 4,0004,004,0004,00 0,1421 0,105 I

3,525 5,760

6,835 ) 1,165~ 8,00

6,657 1,343~ 8,00

0,255

0,300 0,042 0,457 0,398 5,43

A1 Ti Fe +++ MnFe++ Mg Ca Na K HO B 100 Mg/Mg + ~.Fe @ Mn

0,056 [ 0,127 [ 1.99

0,214 [ 0,100 ~1,91

1,665 )

1,454 [ 0,032 [ 0,003 | 0,001 "

0,022 0,390 0,217 3,787 0,120 0,045 0,015 1,575 0,495 86,3

90,2

82,4

np nm ng np ( ~ 0,005) nm (~- 0,005) ng ( ~ 0,005) ng/c 2Vnp

incolore bleu pale bleu pale 1,705 1,710 1,715 -70 ~ (Na)

dines (~= 0,005)

3,492

jaune pale bleu vif bleu vif 1,715 1,670 1,720 1,678 1,725 1,680 --72 ~ 5 ~ (Na) (Na) (r < v) 3,535 3,255

4*

0,512 0,570 0,008 7,46 5,696 0,239 0,182

0,071 I 1,132 / 0,336 ~ 5,59 0,009 | 4,041 )

1,651 1,65

4,234 1,787 0,186 2,01 0,034 1,880 ~1,88

83,9

83,2

73,6

,zert pale

vert pale

bleu vert 1,630

vert fonc6 1,638

1,650 17 ~ 80 ~ (env.)

1,658 22 ~ 80 ~ (env.)

1,485

1,630

1,~10

1,648

20-30 ~

78 ~ (Na) 3,082

1,972 / 0,362 ~ 2,46 0,124J 1,184 1,18

3,071

52

P. Monchoux:

Fig. 2. Cristaux de sapphirine (Ravin de Plagnole) et de kornerupine (Lherz), x 40

Sapphirine 2 (Monchoux, 1969). Les cristaux de sapphirine sont g6n4ralement bris4s. Quand ils sont intacts, ils apparaissent automorphes (Fig. 2), aplatis suivant (010), ffSquemment macl6s (Fig. 4), et ont des dimensions comprises entre 0,1 et 10 mm. Les inclusions de rutile sont fr6quentes. L'intensit6 de la couleur bleue varie d'un gisement s l'autrc, en m~me temps que les caract~res physiques et chimiques. Les diagrammes de poudre d'une sapphirine pale (6ch. 5) et d'une sapphirine fonc6e (6ch. 2) ne pr6sentent pas de diff6rences entre eux et sont pratiquement idcntiques k eeux cit6s par Moore (1969), pour une sapphirine de la locaht6 type de Fiskenaesset (Grocnland Ouest). La sapphirine pale se range parmi les plus magn6siennes (Deer et al., 1962). Kornerupine (Monehoux, 1969). Les eristaux sont en prismes courts rarement termin6s (Fig. 2)y ~ faces mates ct stri6es vertiealement, ~ eassure facile perpendieulairement ~ l'allongement. Leurs dimensions varient g6n6ralement entre 0,1 et 5 ram. La couleur est gris clair. Les kornerupines de la for6t de Freychinbde sont transparentes, les autres translucides. Les inclusions de rutile sont fr6quentes. Le diagramme de poudre est pratiquemcnt identique ~ eelui publi6 par Girault (1952), pour une kornerupine du Lac Ste Marie (Qu6bec). La kornerupine de Lherz (6oh. 5) est relativement pauvre en B~O3 par rapport celles cit6es dans la litt6rature (McKie, 1965). Sapphirine et kornerupine sont des min6raux peu courants. A notre eonnaissanec, la kornerupine n'a pas encore 6t6 signal6e ailleurs en France et la sapphirine n ' y est aetuellement connue que dans les amphibolites des schistes cristallins du Haut-Allier (Forestier et Lasnier, 1969) et dans les gisements d6crits ici. 2 Orthographe adopt~e par la Commission Internationale de Nomenclature (d'apr6s l'orthographe originelle donn6e par Giesecke, 1819: G6ttingen gel. Anz., 1994).

Roches s sapphirine au contact des lherzolites pyr~n~ennes

53

Fig. 3. Association de la sapphirine et de l'anthophyllite (6ch. 2, Lherz, • 150)

Fig. 4. Roche broy~e s sapphirine, anthophyllite ct phlogopite. Clivage et macle (010) de la sapphirine (@h. 4, Lherz, LP • 50)

54

P. Monchoux:

Anthophyllite. Les cristaux, en prismes losangiques ~ faces brillantes et stri6es, rarement termin4s par des faces courbes, atteiguent 1 cm de long. Ils constituent, parfois, des associations de fibres rayonn6es. Leur eouleur rose-brun-clair est tr~s constantc duns l'ensemble des gisements. L'anthophyllite renferme fr~quemment des primes de rutile, de eouleur rouge-brun vif (~ch. 1). Duns l'anthophy]lite de Lherz (6eh. 2), la teneur en Si02 est faible, les teueurs en AlcOa et CaO song fortes, par rapport aux teneurs habituelles de ce min@al. La valeur de A1Iv (1,165) situe mgme eette anthophyllite s l'int6rieur d'une laeune de composition (de 1,05 ~ 1,25) suppos6e par Fabrics et Perseil (1971) mais correspond assez bien aux valeurs du paramgtre b (17,77) eg de ng (1,648) d'aprgs la grille de d6termination donn6e par ces auteurs. Ceei laisse penser ~ une solution solide anthophyllite-ggdrite particuli@emeng fiche en ggdrite, mais ind6eelable par les erit@es physiques. Tibu et al. (1970) ont remarqu6 la richesse en aluminium des anthophyllites eoexistant avec hornblende. Duns le cas pr6sent, la composition globale de la roche h6te et l'assoeiation des min@aux d6ficitaires en silice et hyperalumineux, peuvent aussi expliquer les fortes teneurs en A1Iv et A1 total de l'anthophyllite. Hornblende vert-clair (6oh. 2). Les cristaux, souvent automorphes, de 0,1 5 m m de long, bleu-verts translucides, sont entour6s de fibres d'unthophyllite en disposition couxiale. Les deux amphiboles ont des compositions chimiques voisines , mais l'anthophyllite est moins riche en calcium, plus fiche en fer total et mugn6sium que la hornblende. Le rapport 100 Mg/Mgd-XFe~-Mn est presque identique duns les deux cus ( = 83,9 et 83,2). Hornblende vert-/oncd (6eh. 3). Les eristaux, parfois automorphes, de 0,1 5 m m de long, song de couleur verge, nettement plus fonc4e que duns l'6ehuntillon 2. Les caract~res physiques et chimiques des deux hornblendes sont diff6rents : teneurs en fer total, CaO, Na20, K~O plus fortes, teneurs en SiO 2 et MgO plus faibles, rapport 100 Mg/(Mg d - X F e d- Mn) nettement plus faible ( = 73), dans l'6ehantillon 15. Saponite. Le min6ral forme, duns les 6ehantillons 4 eg 5, des groupements purallgles de fines fibres de eouleur jaune-orang6, assoei6es s des fibres d'anthophyllite. Les earacggres optiques, le diagramme de poudre et les eourbes d'analyse thermique, song ceux d'une phyllite de type montmorillonite ou saponite. La forte teneur en MgO donn6e par l'analyse distingue la saponite d'nne montmorillonite. Si on suppose qu'elle est secondaire, on peut ealculer la composition du min@al primaire en 61iminang les 20% d'IteO de la phyllite. La nouvelle composition peut ulors s'interprgter comme celle d'un m61ange d'environ 89eordi@ite d- ~ anthophyllite. Comme nous l'avons vu, l'anthophyllite est associ~e B lu saponite et e n e s t pratiquement indissociable ~ cause de la finesse des fibres des deux min6raux; on peut done penser que la eordi@ite 6taig pr6sente comme min@al primaire duns la paragen~se intigiale. L'argile blanche en amas erypgoeristallins assoei6s ~ l'anthophyllite duns l'6ehantillon 1 se rapproehe par ses earact@es physiques de la saponite d~erite ei-dessns. Vermiculites. Nous avons rassembl6 sous ee terme les divers min@aux micac6s et ehloriteux rencontr6s duns les roches ~ sapphirine et dont les lamelles song g~n@alement exfoliables ~ la chaleur. Leur composition et leur stade de trans-

goches s sapphirine au contact des lherzolites pyr~n~ennes

55

formation en vermiculite song certainement variables, eomme le sugg~rent leurs densit6s variant de 2,2 g 2,8, et leurs courbcs d'analyse thermique diff6rcntes d'un 6chantillon h l'autre. Les lamelles n'ont pas de contours g6om6triques nets. Leur diamgtre, g6n6ralement de l'ordre du millim~tre, peut d6passer 1 cm. Elles song incolores g brunpMe, plus rarement vert-ps D. Conclusions

Dans l'ensemble des gisements, les min~raux les plus communs sont : vermiculite (probablement d6riv6e de ph]ogopite), anthophyllite, hornblende, sapphirine, kornerupine, saponite (probablement d6riv6e de cordi6rite). On peut proposer deux paragen~ses primaires; la premiere ~ hornblende et spinelle, la seeonde s phlogopite, anthophyllite, sapphirine, kornerupine, cordi6rite. Ces deux paragengses seraient superpos~es dans eertaines z6nes. La composition min6ralogique quantitative des rochcs varie quand on va de la lherzolite au calcaire, d6tcrminant une zone g anthophyllite dominante, une zone /~ anthophyllite, sapphirine et hornblende, enfin une zone s hornblende dominante, ce que refl~te une 6volution chimique correspondant, principalement, s une diminution du rapport Mg/Ca. La composition chimique des roches (616ments majeurs et mineurs) se r6v~le, par ailleurs, essentiellement diff6rente de celle des lherzolites.

II. Interpretation p~trog6n~tique des roches h sapphirine Quelques remarques pr61iminaires sur la gen~se des roches ~ sapphirine peuvent ~tre d6duites des observations g~ologiques suivantes: 1. ces roehes se rencontrent uniquement en bordure des massifs de lherzolites; 2. elles song en contact avce des calcaires mamoris~s, relativement pauvres en min6raux silicates ; 3. elles sont broy6es; 4. il existe une zonalit6 min~ralogiquc, des lherzolites aux ealeaires, qui a 6t~ respcet6e par le broyage. On peut en dSduire, tout d'abord, qu'il ne s'agit pas de roches m6tamorphis~es par contact pros de la surface, car aucune roche alumineuse n'affleure dans ces contacts. ]1 s'agit donc de mat6riel profond remont6 avec la lherzolite, ce qui explique son 6tat broy6. La question se pose alors de l'origine de ce materiel et on peut ~mettre plusieurs hypotheses ~ son sujet: 1. produit de diff6renciation des p~ridotites, ce qui n'explique pas bien la localisation des roches uniquement sur los bordures des massifs; 2. produit de m~tamorphisme g6n6ral, sans rapport g~n~tique avec la lherzolite, la sapphirine existant en effet ailleurs, comme nous le verrons, dans des gisements de roches catazonales, ind@endants de roches basiques, quoiqu'avee des paragen~ses diff~rentes; mais les zonalit6s mia6ralogique et ehimique observ6es Lhcrz entre le massif et l'encaissant, song peu compatibles avec cette hypoth~se; 3. produit de m~tamorphisme de contact en profondeur, par interactions entre une roche encaissante silico-alumineuse hydrat6e, et la roche ultrabasique.

56

P. Monchoux:

Avant de poursuivre la recherche de la signification de ces roches par l'interproration de leurs paragen~ses, il est n4cessaire de comparer ces paragen~ses celles des autres gisements mondiaux, et de discuter lear domaine de stabflit6, d'apr~s les 6tudes exp6rimentales. A. Comparaison avec les autres gisements mondiaux

Les gisements connus de roches ~ sapphirine ne sont pas tr~s nombreux. Scrensen (1955) en cite une quinzaine, dont il reprend bri~vement les descriptions. Quelques autres ont ~t~ signal,s depuis (Brenon, 1953; Subramaniam, 1956; Segnit, 1957; Nalivkina, 1961 ; Wilson, 1962 ; Hudson et Wilson, 1966 ; Wilson et Hudson, 1967 ; Luffs et Kopaneva, 1968 ; Foissy, Kleiber et Picot, 1968 ; Dallwitz, 1968 ; Forestier et Lanier, 1969; Touter et La Roche, 1971; Morse et Talley, 1971; Lensch, 1971...). Dans la plupart de ces gisements, les roches ~ sapphirine se trouvent en bordurc de roches nltrabasiqnes apparaissant dans des s6ries m6tamorphiqnes (micaschistes, gneiss, amphibolites). L'originalit6 du gisement de Lherz tient l'affleurement des roches ~ sapphirine, associ~es aux lherzolites, au milieu des calcaires et dolomies du M6sozo~que. Les paragen~ses sont pea vari6es, et les seals min4ranx rencontres en association avec la sapphirine sont, par ordre de fr6qnence: phlogopite (on biotite), spinelle, orthopyrox~ne, plagioclase, cordi6rite, corindon; plus rarement: orthoamphibole, clinoamphibole, grenat; enfin, exceptione]]ement: kornerupine, clinopyroxgne, sillimanite, orthoclase, rutile, ilm6nite, magn6tite, zircon, titanite. Le quartz n'est signal6 que dans le gisement d'Enderby Land (Antarctique) (Dallwitz, 1968). L'augite apparait dans roches de Sakena (Madagascar) (Lacroix, 1929--1940), associ6es g des paragneiss ~ sillimanite, cordi6rite, almandin. Dans plnsieurs gisements, l'6qnilibre parag6n6tique n'est pas atteint et la sapphirine apparalt en zone r6actionnelle. Les gisements se rapprochant le plus, par lear paragen~se, de ceux des Pyr6n6es, sont les gisements du Groen]and, de Madura (Inde, Muthuswami, 1949), d'Alpe Brasciadaga (Italic; Corn6lius et Dittler, 1929), d'Andriamena (Madagascar; Foissy et al., 1966) et de Strangways Range (Anstralie Centrale; Hudson et Wilson, 1966). I1 y est, en effet, mentionn6 la pr6sence d'orthoamphibole qui est, avec le phlogopite, le constituant dominant des gisements pyr6n6ens. I1 est int6ressant de reprendre bri6vement quelques types d'interpr6tation des paragen~ses de ces gisements. A Sukkertoppen (Goenland Ouest), la sapphirine se rencontre avec hornblende, plagioelase, bronzite, spindle, phlogopite, en inclusions lenticulaires dans des gneiss granodioritiqucs. H. l~amberg (1948) suppose que le complexe g sapphirine 6fair originellement une roche ultrabasique, transform6e ensuite en hornblendite spinelle. Sapphirine et phlogopite ont pn se former, avec apport de Si et K, en milieu hydrat6, g partir de hornblende et spinelle. H. Ramberg montre que la g6drite et la hornblende, si elles sont riches en A1, penvent gtre stables avec la bronzite g la base dn facigs granulite. I1 conclut que la sapphirine, associ6e ces min6raux, pr6sente un champ 6troit de stabflit6 ~ la limite entre les facigs granulite et amphibolite.

Roches ~ sapphirine au contact des lherzolites pyr6n6ennes

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A. Fiskenaesset (Groenland Ouest), la sapphirine apparalt darts un massif ultrabasique alt6r6, probablement constitu6 ~ l'origine de bronzite, olivine et spindle. La roche encaissante est un gneiss ~ hornblende. La sapphirine prendrait naissanee (Ssrensen, 1955) durant le m6tamorphisme r6trogade d'ultrabasites, dans des zones riches en spindle; en m6me temps, la bronzite serait remplac6e par: g6drite, hornblende et phlogopite. I1 y aurait migration de Mg et Si de ]a bronzite vers le spinelle, et migration de A1 en sens inverse. It. Sorensen ne rctient pas la proposition d'un facigs sp6cial (Vogt, 1947) pour la formation de sapphirine, qu'il situe ~ la limite des facigs granulite et amphibolite. Les roches g sapphirine, phlogopite, spindle, bronzite de Stangways Range sont assoei6es, en particulier, ~ des assemblages s magn6tite, spindle, anthophyllite ((g6dridique)>, orthopyroxbne. La sapphirine apparalt soit en couronne autour du spindle, soit en intercroissanee symplectique dans bronzite et phlogopite. Hudson et Wilson (1966) exphquent cette dernibre disposition par recristallisation d'une anthophyllite g6dridique originelle en bronzite et sapphirine; la silice ahisi lib6r6e aurait ensuite, par corrosion du spinelle, form6 la sapphirine eoronaire.

B. Revue des dtudes du syst~me Si02--AI~Oa--MgO--H~O a) Rappel des travaux publi6s Les roches b sapphirine rencontr6es ~ Lherz sont constitu6es, en d~finitiv% par un hombre assez restreint de min@aux. Parmi ceux-ci, la sapphirine, le spinelle, la cordi@ite (hypoth6tique) comportent eomme 616ments dominants de leur formule chimique, Si, A1, Mg; l'anthophyllite, la kornerupine et le phlogopite contiennent, en plus, des oxhydriles. Pour l'interpr6tation de ces paragen~ses, il est donc n@essaire de se reporter aux 6fades exp~rimentales r6alis6es principalement dans le syst~me S i 0 2 - - A I ~ O ~ MgO--H20. Malgr6 l'acc61@ation de ces 6tudes au cours des derni~res ann6es, les domaines de stabilit6 de certains min@aux sont encore imparfaitement connus. La sapphirine a, tout d'abord, 6t6 synth6tis6e B la pression atmosph@ique et sec, entre 1450 ~ C et 1475 ~ C, par Foster (1950), r6sultats confirm6s, peu apr~s, par Keith et Sehairer (1952). Yoder (1952), D. M. Roy et R. R o y (1955), W y a r t et Sabatier (1959) ne rencontrent pas de sapphirine entre 430 et 990 ~ jusqu'~ des pressions de vapeur voisines de 2 kb. Yoder et Chinner (1959), montrent que la pression accroit le domaine de composition dans lcquel ce min6ral peut se former : sous 10 kb pH~O et entre 750 et 1050 ~ C, la composition peut atteindre 90% pyrope/grossulaire. D'apr~s les exp@iences de Boyd et England (1960), an moins 14% et peut ~tre 19% d'A1203 peuvent ~tre dissouts dans l'enstatite ~ 1400~ C et 18,2 kb; au-dessus de ces teneurs la sapphirine apparalt; ~ pression plus faible la solubilit6 de l'alumine dans renstatite est moindre. A partir d'une composition de pyrope, Fawcett et u (1963) obtiennent la sapphirine et une enstatite 16% A1203, ~ 900 ~ C et 10 kb pH20. Leur diagramme montre la possibilit6 de passage d'une paragen~se: forst6rite-enstatite alumineux-spinelle, ~ une paragen~se enstatite alumineux-spinelle-sapphirine moyennant un cnrichissement en Al~O3. De nouvelles pr6cisions sur la stabilit6 de la sapphirine sont donn6es par Schreyer et u (1964), Fawcett et Yodcr (1966) dans le domaine des moyennes

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pressions (2,5 s 10 kb p H 2 0 ) et par Schreyer (1968), Schreyer et Seifert (1969b) dans le domaine des hautes pressions (10 ~ 25 kb pI~I~O). Ces derniers auteurs synth6tisent ~ 900~ et 10ou 13 kb pH20, une sapphirine de composition 2 MgO, 2 A1203, Si02, moins alumineuse que celle obtenue par Foster (1950) (4 MgO, 5 A1203, 2 SiO2) , probablement en raison d'une substitution partielle A1Al~-MgSi. Ces deux vari6t6s de sapphirine s'observent dans la nature. Les auteurs sugg~rent que la teneur en A1 de la sapphirine est sensible s l~ pression et d6croit lorsque ]~ pression erolt (~ l'inverse de ce qui a lieu pour l'enstatite). Plus r6cemment, les m~mes auteurs proposent une courbe limite de stabilit6 de la sapphirine peu alumineuse (Schreyer, 1970). Les premi6res synth6ses d'orthoamphiboles ont 6t6 r6alis6es par Fyfe (1962) et Greenwood (1963) entre 1 et 3 kb pH~O. Ce dernier auteur 6tablit en particulier ]a courbe de passage de I'anthophyllite s enstatite -]- quartz, entre 750 et 800 ~ C, pour ces pressions, et la prolonge, grace aux calculs thermoehimiques, jusqu'aux environs de 20 kb pH~O oh apparalt l'assemblage: tale~-enstatite. Schreyer (1968) r6alise eette synth~se ~ haute pression et d6termine, pour l'orthoamphibole, un domaine assez 6troit, de 850 s 900~ entre 11 et 20 kb pH~O. Schreyer et Seifert (1969b) remarquent la similitude du m6eanisme de formation, et des relations de stabflit6, entre la g6drite et l'anthophyllite mais d6c~lent une limite de stabilit6 plus 61evSe d'environ 100~ s moyennes pressions, pour la g6drite, pouvant r6sulter des substitutions A1A1-MgSi (Schreyer, 1970). E-an Zen (1971) et Greenwood (1971) pr6cisent le domaine th6orique de l'anthophyllite jusqu's 10 kb, ~ partir de valeurs nouvelles des constantes thermodynamiques, mais estiment que leurs r6sultats res~ent tr~s d6pendants de futurs affinages de ces valeurs; la eourbe donn6e par E-an Zen ne dSpasse pas 830 ~ C vers 10 kb, et n'est pas exaetement en continuit5 avec les r6sultats exp6rimentaux de Schreyer (1968). En ce qui concerne la kornerupine, les seules exp6riences de synth~se, ~ notre connaissanee, sont dues s l~obbins et u (1962), puis s Schreyer et Seifert (1969b). Les premiers transforment ]a dravite en: kornerupine~-sapphirine~liquide ~-vapeur ~ 5 kb au-dessus de 895~ ~ la m6me pression, s partir de 925 ~ C, la kornerupine n'est plus stable et les phases coexistantes sont : sapphirine ~-liquide-4-vapeur. Les auteurs donnent un diagramme p - - T prSliminaire, du syst6me dravite-eau. Schreyer et Seifert ddfinissent le champ de stabilit6 d'une kornerupine sans bore, entre 8 et 13 kb pH~O, ~ 8 5 0 1 50 ~ C, sans cependant 5carter la possibilit6 d'une mStastabilit6 dans ce domaine. La kornerupine sans bore peut coexister avec: sapphirine, enstatite, g6drite, talc, cordiSrite, corindon, yoderite, mais pas avec le quartz. Des travaux de synth~se dfis en particulier ~ D. M. l~oy et R. R o y (1955) et Schreyer et u (1964), pr6cisent le champ de stabilit6 des montmorillonites et de leurs solutions solides. Schreyer et Yoder obtiennent ~ 300 ~ C et 5 kb pH20, une saponite pr6sentant la composition totale initiale de la cordi6rite prise comme mat6riel de d6part de leurs exp6riences. Ils donnent par ailleurs la repr6sentation dans un diagramme pI-I20, du champ de stabilit6 de la cordidrite. Quelques modifications r6centes ont 6t6 apport6es ~ ce diagramme (Seifer~ et Schreyer, 1970; Schreyer. 1970).

Roches s sapphirine au contact des lherzolites pyr6n6ennes

59 Fig. 5. Diagramme d'6quilibre de la paragen~se des roehes ~ sapphirine de Lherz. G Greenwood, R Bobbins, S Schreyer, Se Seifert, Y u Z Zen. Ast6risques: limites apI0roximatives trae~es /~ Ioartir des diverses exp@ienees aetuelles

2

_x:

S Lherz

phirine f.-'X-

0

500

1000

1500%

Temp.

Dans le syst~me S i O 2 - - A 1 2 0 ~ - - M g O ~ K 2 0 ~ 2 0 , Schreyer et Seifert (1969a) ont montr6 que la limite de stabilit6 de la cordi@ite, vers les hautes pressions, 6fair consid@ablement abaiss6e (jusque vers 5 h 6 kb), par la coexistence de phlogopite et silicate d'alumine. Ces exp@iences ont 6t6 faites avec des compositions riches en quartz mMs il semble possible que, mgme pour la composition des roches 6tudi6es ici, la pr6sence de phlogopite abaisse la pression limite sup@ieure de stabilit6 de la eordi@ite. La pr6sence de FeO duns la cordi@ite abaisse 6galement cette limite (Schreyer, 1965). Schreyer et Seifert aj outent qu'on ne peut d6terminer l'influence d'autres oxydes te]s que Na20, CaO, Fe2Oa, Si02, dans la composition globule. b) Le diagramme d'~quilibre Nous avons report6 sur un mgme diagramme (Fig. 5) les domaines de stabilit6 des min@aux prineipaux des paragengses observ6es, d6duits avec quelques approximations des exp@iences de synthgscs cit6es plus haut. En toute riguenr, il

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eut 6t6 pr6f6rable de n'utfliser que les donn6es relatives ~ ces min6raux dans des paragen~ses identiques; eependant, ces donn6es 6rant trop clairsem6es, nous eonstruirons l'enveloppe des limites de stabilit6, cit4es dans la ]ittSrature, pour ces min6raux, dans diverses paragen~ses. Les sapphirines de Lherz se rapprochent, par leur richesse en alumine, de celle de Foster. A basse pression, la limite inf4rieure de stabilit6 des sapphirines riches en A1 s'4carte notablement vers les hautes temp4ratures, de la courbe donn4e par Schreyer et Seifert pour une s~pphirine peu alumineuse. Cette limite devient hypoth6tique ~ pressions plus 61ev~es en raison de l'absence de donn6es sur les teneurs cn A1 des sapphirines synth6tis6es. Cepcndant, quelle que soit sa composition, la sapphirine ne se forme pus uu-dessous de 750 ~ C, s toutes pressions. I1 n'existe pas de donnSes expSrimentales sur les orthoamphiboles entre 4 et 10 k b et l'interpolation entre les r6sult~ts de E-an Zen, Greenwood et ceux de Schreyer est un peu hasardeuse. Cependant, du fair de la richesse en A1 de l'antophyllite de Lherz, il cst logique de rapprocher sa limite de celle des g6drites. Ainsi, eomptetcnu des teneurs en A1 de la sapphirine et de l'anthophyllite 6tudi6cs ici, on peut estimer quc le domainc de stabilit~ commun s ces deux min6raux est sup6rieur ~u moins s 5 kb, la temp6rature 6tant limit6e ~ l'intervalle 750--900 ~ C. On note, en particulier, la coexistence de sapphirine et g6drite ~ 11 kb et 850 ~ C dans les exp6riences de Schreyer et Seifert (1969b). Au cas oh la saponite r6snlterait de cordidrite, ee domaine serait limit6 vers les hautes pressions ~ 11 kb, et m~me probablement ~ une pression plus basse en raison de la pr6sence de phlogopite et des teneurs en fer. Le phlogopite est stable dans ce domaine, mais la kornerupine ne semble p a s s e former au-dessous de 800 ~ C et pr6sente un champ de temp6rature trbs 6troit ~ 5 kb (Robbins et Yoder, 1962). I1 semble en d6finitive, que l'on puisse limiter le domainc des paragen6ses sapphirinc de Lherz ~ environ 6 - - 9 kb pH20 et 800--900 ~ C. Rappelons que Ramberg (1948) et Sorensen (1955) situaient le domaine de la sapphirine s la limite des facigs granulite et amphibolite.

C. Hypoth~se sur la gen~se des roches ~ sapphirine Ainsi les conditions de formation des roches ~ sapphirine sont assez bien d~finies. Cependant, le m6canisme de cette formation et la source du mat6riel, poseur encore des probl6mes. I1 semble th6oriquement possible de r d6river les roches ~ sapphirine des lherzolites elles-mSmes, suivant, par exemple, un m~canisme sugg~r6 par les exp6rienees de Boyd et ]England (1960), Fawcet ct Yoder (1963): exsolution de s~pphirine ~ pression d~croissante, ~ partir d'enstatite ulumineux, donnant lieu, par exemple, ~ l'assemblage enstatite-sapphirine-spinelle, suns que la composition globule soit tr~s alumineuse. A l'inverse de l'hypoth~sc de Hudson et Wilson (1966), l'anthophyllite pourrait r6sulter ensuite de transformation de l'enstatite par la r6action: enstatite + H20 + SiO2 ~ anthophyllite + fluide. Mais, outre que cette r6action n'est connue qu's relativement basses pressions et tempSraturcs, elle suppose l'anthophyllite post6rieure h la sapphirine, ce qni n'est pas le cas dans les roches 6tudi6es. Cette r6action suppose aussi un apport

Rochcs s sapphirine au contact des lherzolites pyr6n6ennos

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de silice, qui ne peut 4tre fourni par la roche ultrabasique. De plus, les teneurs en AI~O8 des enstatites des lherzolites ne d6passent g6n6ralement pas 6 %, teneur d6j~ inf6rieure ~ celle de ]'anthophyllite des contacts ; ~ la rigueur, les sapphirincs d'exsolution pourraient se former en quantit6 faible, tandis qu'elles sont souvent dominantes dans les roches 6tudi6es. Enfin les diff6rences chimiques tr~s nettes entre ]es lherzolites et los roches ~ sapphirine, rant pour les 6]6ments majeurs que pour les 616ments mineurs, et particuli~rement l'absence de chrome, 616ment peu mobile, darts ces dernigres, semblent difficiles g interpr6ter dans cette hypothgse. Une hypothbse plus vraisemblable, compte tenu de ]a zonalit6 min6ralogique et chimique, paralt 6tre celle d'un m6tamorphisme de contact exomorphe, r6alis6 en profondeur avec enrichissement en magn6sium au contact de la lherzohte, et remobilisation du calcium. Comme dans le gisement de Sukkertoppen (l~amberg, 1948), il est possible que la hornblendite s spinelle (6ch. 3) repr6sente une roche peu ou pas transform6e par l'exomorphisme, dont le champ d'action n'aurait ainsi pas d6pass6 une quinzaine de mbtres de puissance. La roche ~ hornblende et anthophyllite (6ch. 2) correspondrait ~ un stade interm6diaire de transformation, avee remobilisation partie]le du Ca, formation de l'anthophyllite, et augmentation partielle du rapport 100 Mg/(Mg + X F e + Mn) (de 73 g 83 %) dana la hornblende. Enfin, la roche ~ sapphirine, anthophyllite et cordi6rite, correspondrait au stade le plus transform6, au contact de la lherzolite. Tilley (1937) et Bugge (1943) font 6tat de gisements montrant la transformation hornblende-~anthophyllite + cordi6rite par m6tasomatose sur des amphibolites et des gneiss. La transformation observ6e ~ Lherz pourrait gtre de m6me type, mais effectu6e dans des conditions de plus haut degr6 de m6tamorphisme, permettant l'apparition de sapphirine. Cette hypothbse rejoindrait les constatations de Ramberg (1948) et Sorcnsen (1955), d'une <~sapphirinisation ~ de hornblendite g spinene. Cependant ces auteurs faisaient d6river eette hornblendite elle-m6me d'une roche ultrabasique (pyrox6nite ou p6ridotite) riehe en spinelle. I1 ne semble pas possible de supposer une filiation entre les lherzolites et les hornblendites ~ spinelle de Lherz, en raisson des diff6rences de compositions (en 616ments majeurs et mJneurs). Par contre, une relation existe peut-6tre entre ces hornblendites et les roches s plagioelase basique, et diopside plus ou moins transform6 en hornblende verte, qui apparaissent sporadiquement en bordure des lherzolites (Laeroix, 1895) et en 616ments de brbche dans les gisements de roches ~ sapphirine. Cependant les affleurements trop rares n'ont pas permis jusqu'ici de s'en assurer. Qnant aux sehistes micac6s g dipyre, identiques ~ ceux d6crits par Lacroix (1895) au contact de plusieurs massifs de lherzolite mais inconnus parmi les productions du m6tamorphisme pyr6n6en (Ravier, 1959), ils correspondent ~ des assises s6dimentaires marneuses m6tamorphis6es dans un faci6s hornblendehornfels (Av6 Lallemant, 1968), s proximit6 imm6diate des lherzolites. De tels s6diments marneux n'affleurent pas autour des lherzolites de Lherz, et les schistes micac6s de ce gisement ont donc probablement 6t6, eux aussi, remont6s teetoniquement en surface; cependant, leur gisement originel pouvait ~tre de faible profondeur ct distinct de celui des hornblendites. L'existenee des roehes ~ sapphirine est, ainsi, un 616ment important pour l'interpr6tation des conditions de formation et de mise en place des lherzolites pyr6n6ennes.

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D ' u n e part, ellcs r e p r 6 s e n t e n t des paragen&ses de hautes t e m p 6 r a t u r e s et prcssions (800--900 ~ C et 6 - - 9 kb), qui confirment, en t a n t que limites inf6rieures, les c o n d i t i o n s estim6es de f o r m a t i o n des lherzolites ( 1 1 0 0 - - 1 2 0 0 ~ C et 8 - - 1 3 k b s) (Monehoux, 1970). D ' a u t r e part, elles sont les t6moins de r6actions m 6 t a m o r p h i q u e s r6alis6es e n profondeur, ~ l'arriv6e des lherzo]ites dans les zones silieo-alumineuscs et h y d r a t6es de la croute terrestre. Remerciements. Cette @tude a pour base une thgse d'Etab soutenue le 2 d6cembre 1970 devant MM. les Professeurs L. Capdecomme, E. den Tex, M. Lelubre, M. Orliac, et M.F. Permingeat. Le prdsent texte b6n@ficiede leurs critiques et de leurs conseils; je leur en exprime ma profonde gratitude. Je remercie bien vivement M. M. Besson pour ses importantes suggestions; les membres du Laboratoire de Min&ralogie et Cristallographie de Toulouse, en particulier Melle S. Laffont, M. J. Bacchin, J. J. Dedoubat, F. Fontan, L. Ortelli qui m'ont aid6 dans la r6alisation de ce travail.

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Roches s sapphirine au contact des lherzolites pyr6n6ennes

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