From chemical mapping to pressure – temperature – deformation microcartography: mineralogical evolution and mass transport in thermomechanic disequilibrium systems. Application to metapelites and confinement nuclear waste materials.
De l'imagerie chimique à la micro-cartographie Pression-Température-Déformation : évolution minéralogique et transport de matière dans des systèmes en déséquilibre thermomécanique.
Applications aux métapélites et aux matériaux de stockage de déchets radioactifs
Résumé
The mineralogical composition of metamorphic rocks or industrial materials evolves when they are submitted to thermomechanical disequilibria, i.e. a spatial or temporal pressure and temperature evolution, or chemical disequilibria as variations in redox conditions, pH... For example, during low temperature metamorphic processes, rocks reequilibrate only partially, and thus record localy thermodynamic equilibria increasing so the spatial chemical heterogeneities. Understanding the P-T evolution of such systems and deciphering modalities of their mineralogical transformation imply to recognize and charaterize the size of these local “paleoequilibria”, and so to have a spatial chemical information at least in 2 dimensions. In order to get this information, microprobe X-ray fluorescence maps have been used. Computer codes have been developped with Matlab to quantify these maps in view of thermobarometric estimations. In this way, P-T maps of mineral crystallisation were produced using the multi-equilibria thermodynamic technique.
Applications on two metapelites from the Sambagawa blue-schist belt (Japan) and from the Caledonian eclogitic zone in Spitsbergen, show that quantitative chemical maps are a powerfull tool to retrieve the metamorphic history of rocks. From these chemical maps have been derived maps of P-T-time-redox-deformation that allow to characterize P-T conditions of minerals formation, and so, the P-T path of the sample, the oxidation state of iron in the chlorite phase. As a result, we underline the relation between deformation and cristallisation, and propose a relative chronology of minerals cristallisation and deformations. The Fe3+ content map in chlorite calculated by thermodynamic has also been validated by a µ-XANES mapping at the iron K-edge measured at the ESRF (ID24) using an innovative method.
Another application relates to an experimental study of clay materials, main components of an analogical model of a nuclear waste storage site. Chemical maps allowed to charaterize the 2D mineralogical evolution of clays toward iron rich end-members. They have also been used as input data in a 2D finit element numerical model aiming to estimate the iron diffusion coefficient in clays at low temperatures, important parameter to modelize the destabilization of nuclear waste storage sites in the course of time.
Applications on two metapelites from the Sambagawa blue-schist belt (Japan) and from the Caledonian eclogitic zone in Spitsbergen, show that quantitative chemical maps are a powerfull tool to retrieve the metamorphic history of rocks. From these chemical maps have been derived maps of P-T-time-redox-deformation that allow to characterize P-T conditions of minerals formation, and so, the P-T path of the sample, the oxidation state of iron in the chlorite phase. As a result, we underline the relation between deformation and cristallisation, and propose a relative chronology of minerals cristallisation and deformations. The Fe3+ content map in chlorite calculated by thermodynamic has also been validated by a µ-XANES mapping at the iron K-edge measured at the ESRF (ID24) using an innovative method.
Another application relates to an experimental study of clay materials, main components of an analogical model of a nuclear waste storage site. Chemical maps allowed to charaterize the 2D mineralogical evolution of clays toward iron rich end-members. They have also been used as input data in a 2D finit element numerical model aiming to estimate the iron diffusion coefficient in clays at low temperatures, important parameter to modelize the destabilization of nuclear waste storage sites in the course of time.
Les roches métamorphiques ou les matériaux industriels voient leur composition minéralogique évoluer lorsqu'ils sont soumis à des déséquilibres thermomécaniques, c'est-à-dire à une évolution spatiale ou temporelle de la pression et de la température, ou des déséquilibres chimiques comme des variations des conditions redox, du pH... Par exemple, à basse température, les roches sous l'influence des processus métamorphiques ne se rééquilibrent que partiellement, sauvegardant ainsi des équilibres thermodynamiques de manière locale et augmentant leurs hétérogénéités chimiques spatiales. La compréhension de tels systèmes en évolution P-T et le déchiffrage des modalités de leur évolution minéralogique impliquent de reconnaître et de caractériser la taille de ces « paléo équilibres » locaux, et donc d'avoir une information chimique spatiale au moins en 2 dimensions. Afin d'obtenir cette information, des images microsondes de fluorescence X ont été utilisées. Pour accroître leur potentiel et les employer à des fins thermobarométriques, des scripts informatiques ont alors été développés sous Matlab. Ils permettent de quantifier ces images semi-quantitatives mais également de les coupler avec la technique thermodynamique des multi-équilibres afin de produire des cartes de P-T de formation des minéraux.
Comme le montrent les premières applications réalisées sur deux métapélites provenant de la ceinture schiste bleu de Sambagawa au Japon et de la zone éclogitique préservée de la chaîne Calédonienne au Spitzberg, les cartes chimiques quantitatives sont très riches d'enseignement sur l'histoire métamorphique d'une roche. De ces cartes chimiques ont été dérivées des cartes de P-T-temps-redox-déformation d'échantillons, permettant de caractériser les conditions P-T de formation des minéraux et donc le chemin P-T de l'échantillon, l'état d'oxydation du fer dans la phase chlorite, de souligner la relation entre déformation et cristallisation, de proposer une chronologie relative de cristallisation des minéraux et des déformations. La carte de la teneur en Fe3+ dans les chlorites calculée par la thermodynamique a également été validée grâce à une cartographie µ-XANES au seuil K du fer mesurée à l'ESRF (ID24) avec une méthode innovante.
La dernière application concerne une étude expérimentale de matériaux argileux, principaux constituants d'un modèle analogique d'un type de site de stockage de déchets nucléaires. Les images chimiques ont permis de caractériser en 2 dimensions l'évolution minéralogique des argiles vers des pôles riches en fer. Elles ont également été utilisées comme données de base pour la réalisation d'un modèle numérique 2D par éléments finis visant à estimer le coefficient de diffusion du fer dans les argiles à basse température, donnée importante pour modéliser la déstabilisation au cours du temps d'un site de stockage de déchets radioactifs.
Comme le montrent les premières applications réalisées sur deux métapélites provenant de la ceinture schiste bleu de Sambagawa au Japon et de la zone éclogitique préservée de la chaîne Calédonienne au Spitzberg, les cartes chimiques quantitatives sont très riches d'enseignement sur l'histoire métamorphique d'une roche. De ces cartes chimiques ont été dérivées des cartes de P-T-temps-redox-déformation d'échantillons, permettant de caractériser les conditions P-T de formation des minéraux et donc le chemin P-T de l'échantillon, l'état d'oxydation du fer dans la phase chlorite, de souligner la relation entre déformation et cristallisation, de proposer une chronologie relative de cristallisation des minéraux et des déformations. La carte de la teneur en Fe3+ dans les chlorites calculée par la thermodynamique a également été validée grâce à une cartographie µ-XANES au seuil K du fer mesurée à l'ESRF (ID24) avec une méthode innovante.
La dernière application concerne une étude expérimentale de matériaux argileux, principaux constituants d'un modèle analogique d'un type de site de stockage de déchets nucléaires. Les images chimiques ont permis de caractériser en 2 dimensions l'évolution minéralogique des argiles vers des pôles riches en fer. Elles ont également été utilisées comme données de base pour la réalisation d'un modèle numérique 2D par éléments finis visant à estimer le coefficient de diffusion du fer dans les argiles à basse température, donnée importante pour modéliser la déstabilisation au cours du temps d'un site de stockage de déchets radioactifs.
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