Les pouzzolanes et les basaltes
Les pouzzolanes et les basaltes Les pouzzolanes et les basaltes
TABLEAU I Classe IV : Roches volcaniques andésitiques et basaltiques Champ 9 a) famille des trachyandésites (20-40) et b) famille des trachybasaltes (40-75) Champ 10 a) famille des andésites (20-40) et b) famille des basaltes (40-75) Classe VI : Roches volcaniques téphritiques Champ 13 a) famille des téphrites phonolitiquesànéphéline (20-40) b) famille des téphrites phonolitiques à leucite (20-40) Champ 14 a) famille des téphrites néphéniliques (30-50) b) famille des leucitéphrites (30-50) nit des classes et des sous-classes. Il y a enfin deux familles par sous-classe, par la prise en considération de la teneur en minéraux fémiques, selon que cette teneur est supérieure ou inférieure à la moyenne de la sous-classe considérée. La position du point représentatif des minéraux siali- ques d'une part, et la teneur en minéraux fémiques d'autre part définissent donc entièrement la place de la roche dans la classification et, par suite, de façon univoque, sa désignation dans une nomenclature, hé ritée des sytèmes antérieurs et codifiée par un tableau de correspondance. A titre d'exemple le tableau I indi que la nomenclature des roches des classes IV et VI dans lesquelles, nous le verrons, se placent les pouz zolanes françaises. ANALYSE PAR DIFFRACTION DES RAYONS X Des spécimens très divers collectés dans cinq gise ments de pouzzolanes du Massif central (Volvic, Les Dômes, Bizac, Thueyts, Corent) ont été soumise l'ana lyse diffractométrique X. Origine Les Dômes Nombre d'échantillons TABLEAU II Le dépouillement des diffractogrammes est assez dif ficile étant donné la multiplicité des raies présentes et la fréquence des superpositions. On constate que pour un site donné, les minéraux décelés sont d'une façon générale indépendants du type morphologique du spécimen étudié, ce qui per met de conclure à une relative homogénéité des gise ments. Par ailleurs, la couleur est toujours liée à la nature de l'oxyde de fer présent: selon qu'il s'agit de magnétite Fe 20 4 ou d'hématite Fe 20 3, la coloration est noire ou rouge. Les données analytiques essentielles sont résumées dans le tableau II, abstraction faite d'un certain nom bre de singularités sur lesquelles notre attention avait été attirée (phénocristaux, inclusions visibles à l'œil nu, etc.), mais qui demeurent isolées et sans significa tion générale. Ce tableau fait clairement apparaître, à l'exception de trois «curiosités», l'absence de quartz. Il s'agit là d'une conclusion formelle, car ce minéral est décela ble avec une grande sensibilité au moyen des rayons X, sans interférence possible. Comme nous l'avons vu plus haut, l'absence de quartz est due au fait que la silice totale des phases sialiques est déficitaire par rapport à la composition des felds- paths (sauf cas particulier où elle serait dans le rapport exact). Elle implique donc la présence d'un felds- pathoîde. La leucite doit être exclue d'une part parce que ses raies sont absentes des diagrammes de rayons X et d'autre part parce qu'elle est instable thermodynami- quement en présence d'albite ou de plagioclase. Le seul feldspathoïde stable dans cet environnement et compatible avec l'analyse diffractométrique est la né- phéline, dont la raie la plus intense (à 3,00 Â) est mal heureusement superposée avec celle du diopside. Les feldspaths sont toujours des plagioclases dont la nature peut varier à l'intérieur d'un même gisement. Quartz Feldspaths Feldspathoìdes Pyroxenes Olivine 10 néant sauf 1 cas plagioclases : de oligoclase à labradorite 1 cas orthose en inclusion Corent 9 néant plagioclases : de oligoclase à labradorite 1 cas sanidine en inclusion Volvic 4 néant sauf 1 cas Bizac 6 néant sauf 1 cas non décèles diopside moyen sauf 1 cas néphéline diopside fort 1 cas ferrohypersthène Minéraux accessoires forstérite amphibole (1 cas) mica (6 cas) forstérite amphibole (5 cas) mica (7 cas) montmorillonite (4 cas) calcite (1 cas) labradorite non décèles diopside faible néant mica amphibole de labradorite à bytownite 1 cas anorthose 1 cas orthose Verre 23 % 0 22 % néphéline diopside moyen forstérite 5 % Thueyts 6 néant bytownite néphéline diopside fort forstérite 0 108
Toutes les variétés de plagioclase, depuis l'andésine jusqu'à la bytownite et même l'anorthite sont trouvées dans les pouzzolanes. Les pyroxènes sont toujours présents, sous forme de diopside CaMgSi206. Par ailleurs, une olivine, la forstérite Mg2Si04 est systématiquement trouvée, à une exception près (Volvic). Les minéraux accessoires sont surtout les amphiboles, assez fréquents, des micas et dans le cas de la pouzzolane de Corent une montmorillonite provenant vraisemblablement d'un processus d'altération et une calcite d'origine évidemment extra-volcanique. La diffraction des rayons X permet par ailleurs de mettre en évidence la présence d'une phase vitreuse, plus ou moins importante suivant les échantillons [3]. EXPLOITATION DE L'ANALYSE CHIMIQUE Les données de rayons X sont insuffisantes pour situer exactement les roches dans les classifications modernes car elles ne sont pas quantitatives. En particulier, elles ne permettent pas de chiffrer les teneurs en feldspathoïdes et en composants fémiques nécessaires au repérage dans les triangles de Niggli. Nous allons voir que l'exploitation de l'analyse chimique permet de faire cette discrimination et qu'elle apporte par ailleurs des informations nouvelles. L'analyse chimique aété utilisée, en particulier par les américains Cross, Iddings, Pirsson et Washington (système CIPW) [4] et par Niggli lui-même pour calculer la composition minéralogique des roches magmatiques, et en déduire leur place dans la classification. Cette composition théorique, appelée «norme» s'écarte dans bien des cas de la composition réelle ou «mode» établie par examen de lames minces au microscope polarisant et a pour cette raison été très critiquée par de nombreux pétrographes. Il s'agit en réalité d'une fausse querelle et les pouzzolanes en sont une bonne illustration : la norme correspond à ce que seraient ces systèmes s'ils étaient en équilibre thermodynamique; le mode (approché par l'étude diffractométrique) reflète la composition du système réel qui, pour des raisons diverses (rapidité du refroidissement par exemple), a été fixé dans un état hors équilibre. La comparaison du mode et de la norme est pour cette raison extrêmement instructive. 1 - Calcul du nombre de phases des systèmes en équilibre On sait que la variance des systèmes en équilibre est donnée par la règle de Gibbs: v = c + 2 — 9 — c est le nombre de constituants indépendants; il sera ici égal au nombre d'oxydes trouvés par analyse chimique. — tp est le nombre de phases. — v est la variance, c'est-à-dire le nombre de paramètres qui peuvent varier (composition des phases, pression, température). Si nous fixons la pression et la température, la formule de Gibbs se réduit à V = C — 9 Le nombre de phases est maximal quand la variance est nulle, c'est-à-dire que la composition de toutes les phases (seul paramètre restant) est fixée à l'avance. C'est le cas si les phases sont formées d'espèces chimiques définies. On peut voir que dans ces conditions c =f, c'est-à-dire que le nombre de phases est égal au nombre d'oxydes de l'analyse chimique. Le nombre de phases diminue d'une unité quand une des phases a une composition non fixée à l'avance. C'est le cas qui se présente lorsqu'il y a formation d'une solution solide binaire (c'est-à-dire entre deux composés définis); la composition de cette phase s'ajuste sur la composition globale. Le nombre de phases diminue de deux unités quand il y a deux solutions binaires, ou encore une solution solide ternaire. 2 - Nature des phases en présence La règle de Gibbs ne peut rien nous apprendre sur la nature des phases, qui résulte de relations thermodynamiques dont on n'a a priori aucune idée. Il faut faire intervenir ici les données de l'expérience et de la littérature. Les minéraux trouvés par diffractométrie X ont des chances de faire partie des phases stables. Si nous admettons ce postulat, critiquable d'ailleurs, nous pouvons faire le décompte des minéraux trouvés et le comparer au nombre de phases calculé. Dans le cas des pouzzolanes du Massif central, l'analyse chimique donne, pourun bilancomprisentre99et 100 %, les constituants suivants: chaux, silice, alumine, magnésie, oxyde de sodium, oxyde de potassium, oxyde de fer et oxyde de titane, soit huit constituants. L'analyse diffractométrique révèle la présence de quatre espèces: plagioclases, diopside, forstérite, hématite. Toutes les phases ayant une composition définie, à l'exception des plagioclases qui sont des solutions solides ternaires, le système est bivariant et par conséquent le nombre de phases est égal à 6. Deux phases ne sont donc pas décelées par les rayons X. La littérature nous apprend que l'une d'elles est l'ilménite FeTi03 forme sous laquelle se trouve le titane dans les roches volcaniques [5]. Compte tenu des éléments restants, la dernière phase est nécessairement soit le quartz soit un feldspathoïde. Nous admettrons, pour les raisons invoquées plus haut, que ce feldspathoïde est la néphéline sodique. Dans ces conditions, il y a concordance entre le nombre théorique de phases et le nombre réel. La détermination de la proportion de chacune des phases est alors une simple affaire de résolution d'un système de huit équations linéaires à huit inconnues. Les calculs peuvent être faits à la main, car la matrice comporte de nombreux zéros, mais ils sont malgré tout fastidieux et il vaut mieux avoir recours à l'informatique. Grâce à la collaboration de F. X. Deloye, nous avons pu résoudre le problème au moyen du programme «minéraux» qu'il a mis au point [6]. 3. Organigramme du calcul Le calcul consistant en la résolution d'un système linéaire avec autant d'équations que d'inconnues, il au- 109
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TABLEAU I<br />
Classe IV : Roches volcaniques andésitiques<br />
<strong>et</strong> basaltiques<br />
Champ 9 a) famille des trachyandésites (20-40) <strong>et</strong><br />
b) famille des trachy<strong>basaltes</strong> (40-75)<br />
Champ 10 a) famille des andésites (20-40) <strong>et</strong><br />
b) famille des <strong>basaltes</strong> (40-75)<br />
Classe VI : Roches volcaniques téphritiques<br />
Champ 13 a) famille des téphrites phonolitiquesànéphéline<br />
(20-40)<br />
b) famille des téphrites phonolitiques à leucite<br />
(20-40)<br />
Champ 14 a) famille des téphrites néphéniliques (30-50)<br />
b) famille des leucitéphrites (30-50)<br />
nit des classes <strong>et</strong> des sous-classes. Il y a enfin deux<br />
famil<strong>les</strong> par sous-classe, par la prise en considération<br />
de la teneur en minéraux fémiques, selon que c<strong>et</strong>te<br />
teneur est supérieure ou inférieure à la moyenne de la<br />
sous-classe considérée.<br />
La position du point représentatif des minéraux siali-<br />
ques d'une part, <strong>et</strong> la teneur en minéraux fémiques<br />
d'autre part définissent donc entièrement la place de la<br />
roche dans la classification <strong>et</strong>, par suite, de façon<br />
univoque, sa désignation dans une nomenclature, hé<br />
ritée des sytèmes antérieurs <strong>et</strong> codifiée par un tableau<br />
de correspondance. A titre d'exemple le tableau I indi<br />
que la nomenclature des roches des classes IV <strong>et</strong> VI<br />
dans <strong>les</strong>quel<strong>les</strong>, nous le verrons, se placent <strong>les</strong> pouz<br />
zolanes françaises.<br />
ANALYSE PAR DIFFRACTION<br />
DES RAYONS X<br />
Des spécimens très divers collectés dans cinq gise<br />
ments de <strong>pouzzolanes</strong> du Massif central (Volvic, <strong>Les</strong><br />
Dômes, Bizac, Thueyts, Corent) ont été soumise l'ana<br />
lyse diffractométrique X.<br />
Origine<br />
<strong>Les</strong><br />
Dômes<br />
Nombre<br />
d'échantillons<br />
TABLEAU II<br />
Le dépouillement des diffractogrammes est assez dif<br />
ficile étant donné la multiplicité des raies présentes <strong>et</strong><br />
la fréquence des superpositions.<br />
On constate que pour un site donné, <strong>les</strong> minéraux<br />
décelés sont d'une façon générale indépendants du<br />
type morphologique du spécimen étudié, ce qui per<br />
m<strong>et</strong> de conclure à une relative homogénéité des gise<br />
ments.<br />
Par ailleurs, la couleur est toujours liée à la nature de<br />
l'oxyde de fer présent: selon qu'il s'agit de magnétite<br />
Fe 20 4 ou d'hématite Fe 20 3, la coloration est noire ou<br />
rouge.<br />
<strong>Les</strong> données analytiques essentiel<strong>les</strong> sont résumées<br />
dans le tableau II, abstraction faite d'un certain nom<br />
bre de singularités sur <strong>les</strong>quel<strong>les</strong> notre attention avait<br />
été attirée (phénocristaux, inclusions visib<strong>les</strong> à l'œil<br />
nu, <strong>et</strong>c.), mais qui demeurent isolées <strong>et</strong> sans significa<br />
tion générale.<br />
Ce tableau fait clairement apparaître, à l'exception de<br />
trois «curiosités», l'absence de quartz. Il s'agit là<br />
d'une conclusion formelle, car ce minéral est décela<br />
ble avec une grande sensibilité au moyen des rayons X,<br />
sans interférence possible.<br />
Comme nous l'avons vu plus haut, l'absence de quartz<br />
est due au fait que la silice totale des phases sialiques<br />
est déficitaire par rapport à la composition des felds-<br />
paths (sauf cas particulier où elle serait dans le rapport<br />
exact). Elle implique donc la présence d'un felds-<br />
pathoîde.<br />
La leucite doit être exclue d'une part parce que ses<br />
raies sont absentes des diagrammes de rayons X <strong>et</strong><br />
d'autre part parce qu'elle est instable thermodynami-<br />
quement en présence d'albite ou de plagioclase. Le<br />
seul feldspathoïde stable dans c<strong>et</strong> environnement <strong>et</strong><br />
compatible avec l'analyse diffractométrique est la né-<br />
phéline, dont la raie la plus intense (à 3,00 Â) est mal<br />
heureusement superposée avec celle du diopside.<br />
<strong>Les</strong> feldspaths sont toujours des plagioclases dont la<br />
nature peut varier à l'intérieur d'un même gisement.<br />
Quartz Feldspaths Feldspathoìdes Pyroxenes Olivine<br />
10 néant<br />
sauf 1 cas<br />
plagioclases :<br />
de oligoclase<br />
à labradorite<br />
1 cas orthose<br />
en inclusion<br />
Corent 9 néant plagioclases :<br />
de oligoclase<br />
à labradorite<br />
1 cas sanidine<br />
en inclusion<br />
Volvic 4 néant<br />
sauf 1 cas<br />
Bizac 6 néant<br />
sauf 1 cas<br />
non décè<strong>les</strong> diopside moyen<br />
sauf 1 cas<br />
néphéline diopside fort<br />
1 cas<br />
ferrohypersthène<br />
Minéraux<br />
accessoires<br />
forstérite amphibole<br />
(1 cas)<br />
mica (6 cas)<br />
forstérite amphibole<br />
(5 cas)<br />
mica (7 cas)<br />
montmorillonite<br />
(4 cas)<br />
calcite (1 cas)<br />
labradorite non décè<strong>les</strong> diopside faible néant mica<br />
amphibole<br />
de labradorite<br />
à bytownite<br />
1 cas anorthose<br />
1 cas orthose<br />
Verre<br />
23 %<br />
0<br />
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néphéline diopside moyen forstérite 5 %<br />
Thueyts 6 néant bytownite néphéline diopside fort forstérite 0<br />
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