La Coesite de Dora Maira ou Pourquoi les Roches Métamorphiques recristallisent-elles ?

    Pourquoi les roches recristallisent-elles lorsque la pression et/ou la température (les fluides) varient ? Pour le comprendre, on peut s'intéresser à cette quartzite à coesite de Dora Maira (Alpes Italiennes) décrite par C. Chopin en 1984. La présence dans cette roche de petits cristaux de coesite, forme de très hautes pressions de la silice, prouve que cette roche sédimentaire (donc formée en surface) a été enfouie jusqu'à 100km de profondeur avant d'être exhumée. La paragenèse est à quartz abondant, disthène (Ky), phengite (un mica blanc) et grenat très magnésien. La coesite est présente sous la forme de minuscules inclusions dans le grenat ou le disthène.

Sur cette photo au microscope en LPNA, la coesite forme de petites inclusions leucocrates dans le grenat ; on note la présence systématique de fractures radiales dans le grenat autour de ces inclusions.

Quartz et coesite sont 2 minéraux aux propriétés physiques différentes, mais à la composition chimique identique, SiO2. On appelle de tels minéraux des polymorphes. Le quartz a un volume molaire de 2,27 cm3 et est stable à la surface du globe jusqu'à environ 100 km. La coesite, avec un volume molaire de 2,06 cm3, est stable à des profondeurs supérieures à 100 km. Au-delà de cette profondeur, le quartz se transforme en coesite par le biais de la réaction quartz = coesite. La transformation peut se réaliser dans l'autre sens au cours de la remontée. C'est précisément ce que l'on observe sur les photos de cette page. En remontant des grandes profondeurs, la coesite, qui constituait la majorité de la minéralogie de la roche, s'est tranformée en quartz, à l'exception de minuscules inclusions dans le grenat et le disthène. Dans ces inclusions, la transformation coesite = quartz a débuté, mais s'est interrompue, car la transformation implique une variation de volume considérable comme en témoignent les volumes molaires respectifs. Le début de la transformation et l'augmentation de volume qui en résulte sont responsables de la fracturation radiale du grenat.

La coesite est le minéral incolore très réfringent (à "fort relief") associé au quartz peu réfringent (à "faible relief") en inclusion dans un grenat (LPNA).

De minuscules cristaux de quartz ont une disposition radiale autour de la coesite : ceci montre que le quartz se forme au détriment de la coesite (LPA)

Pourquoi cette transformation de coesite (minéral de faible volume) en quartz (minéral au gros volume) lorsque la roche revient vers la surface ? On sait que la masse volumique (ou la densité) des roches augmente depuis la surface vers le centre du globe (à l'exception de la zone faible vitesse, sous la lithosphère). Cette augmentation de la densité implique que le volume d'une roche diminue lors de son enfouissement en profondeur (= P augmente) et inversement lors de son exhumation. La roche, composée de cristaux, d'une où plusieurs espèces minérales, est comprimée. Or, les minéraux sont très peu compressibles. En conséquence, la diminution de volume imposée par une augmentation conséquente de la pression ne peut être que partiellement accommodée en comprimant les minéraux. Ainsi, les minéraux peu denses, de gros volumes, stables en surface, sont remplacés par des minéraux plus denses, de petits volumes, en profondeur.

En règle générale, les roches sont polyminérales et les réactions permettant aux roches ce changement de volume en fonction de la profondeur (= pression) font intervenir plusieurs minéraux : A +B=C+D avec V (C-D)<V (A -B) ; V est le volume. La variation de volume de la réaction est négative lorsque l'assemblage des minéraux A+ B est remplacé par assemblage C+D et s'accompagne d'une augmentation de la pression.

Le même raisonnement peut être tenu (quoique un peu plus abstrait ?) pour comprendre le rôle de la température sur la recristallisation métamorphique. Lorsqu'une roche de surface, froide, s'enfonce dans le globe chaud, un échange de chaleur DQ se fait entre cette roche qui se réchauffe et son environnement. Dans la roche, Q et T augmentent de DQ et DT et par voie de conséquence le rapport DQ/DT est positif. Ce rapport est appelé DS, variation d'entropie S. Il mesure la variation d'entropie DS entre l'entropie de la roche "chaude" et celle de la roche "froide". Si ce rapport est positif lorsque T augmente, cela signifie que l'entropie de la roche chaude est plus grande que l'entropie de la roche froide. Mais qu'est ce que l'entropie ? Il ne s'agit pas simplement d'un rapport mathématique, mais bien d'une caractéristique intrinsèque des minéraux. L'entropie est le nombre de façons dont les constituants atomiques et moléculaires peuvent se répartir dans un minéral (on dit encore que l'entropie mesure le désordre). Le nombre de combinaisons possibles dans un minéral n'est pas infini. En fait, l'entropie des minéraux varie peu. Ainsi, lorsqu'une roche est portée à hautes températures, son entropie augmente. L'entropie des minéraux qui la constitue variant peu, les minéraux de basses températures sont remplacés par des minéraux de hautes températures à l'entropie élevée.

Ces transformations se font au cours de réactions interminérales telles que : A +B=C+D avec S (C-D)>S (A -B). La variation d'entropie de la réaction est positive lorsque l'assemblage de minéraux C-D remplace l'assemblage A- B et s'accompagne d'une augmentation de la T.

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