Les cristallisations rencontrées dans les septarias, une diversité minéralogique à l'échelle (pluri)millimétrique

Dans le liquide interstitiel restant, suite à l'accrétion carbonatée initiale (calcite primaire noire, cf. La genèse des septarias, nodules énigmatiques), il peut rester un fluide riche en calcium, magnésium, fer et matière organique. Toutefois, l'analyse δ¹⁸O des calcites blanches déposées sur la calcite primaire noire montre qu'il s'agit d'une eau météoritique dans un intervalle de température centré sur 32°C environ (Lerouge et al., 2011 [8] ; Paxton et al., 2021 [11]).

Source - © 2023 Bernard Barailler Figure 2. Calcite blanche dans une septaria, Orpierre (Hautes-Alpes) Cristal d'environ 8 mm dans sa plus grande dimension.

Source - © 2023 Bernard Barailler Figure 3. Calcite blanche identique à la précédente, vue de profil, Orpierre (Hautes-Alpes) Cristal d'environ 8 mm dans sa plus grande dimension.

On a donc une cristallisation différente de la calcite noire. Souvent, on voit des cristaux bi-terminés posés sur la dolomie ou la calcite noire. Dans les deux cas, sans rentrer dans les détails de pH et de présence d'autres ions, il faut franchir le seuil de solubilité de la calcite dans l'eau. Le scénario de genèse de la calcite noire dans l'eau de mer semble être une augmentation de la concentration par “déshydratation”. Celui de la calcite blanche pourrait être dans un premier temps un lessivage par des eaux météoriques de la calcite magnésienne présente dans les strates, puis un refroidissement dans les fractures ouvertes lors de la circulation des fluides.

Source - © 2018 D'après Peng et al. [13]

Figure 4. Courbe de solubilité de la calcite en fonction de la température

Les cristaux de calcite blanche apparaissent après la dolomie, leur cristallisation est tardive (cf. partie Séquence de cristallisation). À cette époque, les sédiments ne seraient plus sous la mer, ce qui explique une cristallisation à partir d'eau météoritique.

On appelle dolomie « en selle » l'habitus de la dolomie en cristaux courbés (figures 5 et 7). Ceux-ci sont de couleur blanche légèrement nacrée à marron, en fonction des apports en fer.

Cet habitus « en selle » est souvent caractéristique de remontées hydrothermales^[1] hypersalines (Warren, 2019 [21]). La température de cristallisation est alors comprise entre 60-80 et 180°C (Peng, 2017 [12] ; Barale et al., 2021 [1]).

Source - © 2023 Montage B. Barailler d'après Noel James (in Warren, 2019) - W.E. Ford, 1912 - The Arkenstone - H. Moritz, 2020 / Mindat

Figure 5. Habitus en selle de la dolomie

Cet habitus de dolomie en selle peut alors se révéler être un indicateur fiable des interactions roche-saumure dans la gamme des températures correspondant à celles de la fenêtre à huile jusqu'à celle du gaz sec (Spötl & Pitman, 1998 [19] ; Machel, 1987 [9]).

À Orpierre (Hautes-Alpes), ces remontées fluides se sont probablement enrichies en sels dissouts (NaCl, MgCl₂, CaCl₂, KCl…) en traversant la couche triassique sous-jacente (évaporites y compris des dolomies). Ceci permet d'augmenter fortement le degré de salinité des eaux (Sirat et al., 2016 [17]).

De façon très simplifiée, les habitus des cristaux en régime hydrothermal sont dictés par deux paramètres principaux :

Ces deux paramètres peuvent être modélisés respectivement par :

Trois niveaux de nucléation et croissance cristalline se distinguent alors par des taux de croissance R différents :

Les deux premiers types de croissance donnent des habitus à surface lisse contrairement au dernier lié à des surfaces rugueuses. La transition entre un habitus “lisse” et un habitus “rugueux” se nomme transition de rugosité (roughening transition). Des températures critiques spécifiques délimitent ces zones d'habitus (Sunagawa, 2007 [20]) (figure 6).

Source - © 2007 D'après Sunagawa [20]

Figure 6. Transition de rugosité

Dans le cas de la dolomie, le passage de l'habitus de rhomboèdre “lisse” vers un habitus de dolomie “en selle” s'effectue pour une température supérieure à celle de rugosification critique T₂ qui est de l'ordre de 60°C à 80°C pour la dolomie (Gregg & Sibley, 1984 [5] ; Sibley & Gregg 1987 [16][ ; Huang et al., 2014 [7]).

Un haut ratio Mg/Ca est aussi un facteur influant sur la création de dolomie en selle. Dans le réseau cristallin de la dolomie, le calcium est plus abondant au niveau des sommets des cristaux et des bords des faces qui forment des angles élevés par rapport à l'axe “c” que vers les centres des faces. Ces gradients de composition le long des lames de croissance provoquent la distorsion du réseau amenant à la morphologie de la selle (Radke & Mathis,1980 [14]).

Source - © 2023 Bernard Barailler

Figure 7. Dolomie en selle (agrégat 5mm), Orpierre (Hautes-Alpes)

La température de rugosification T₂ va permettre de préciser la séquence de cristallisation en définissant la période d'apparition de la dolomie en selle. On se base sur les hypothèses suivantes  : le nodule est fracturé et la température de la roche hôte est identique à la température de cristallisation (système proche de l'équilibre). Alors la dolomie en selle apparait tardivement à la fin du Crétacé supérieur (pour la dolomie d'Orpierre). Ceci est cohérent avec les cristallisations de quartz qui peuvent être antérieures ou postérieures à la dolomie. Ce qui veut dire que les épisodes de cristallisation sont globalement à la même période (cf. partie Séquence de cristallisation).

La dolomie adopte un habitus dit « dolomie en selle ». Elle forme des festons courbés sur la calcite primaire noire. L'apparition de la dolomie CaMg(CO₃)₂ peut également s'interpréter à partir de la calcite magnésienne (Ca_0,8Mg_0,2)CO₃ par l'équation suivante :

10 (Ca_0,8Mg_0,2)CO₃ ↔ 2 CaMg(CO₃)₂ + 6 CaCO₃.

L'ankérite a pour formule chimique Ca(Fe,Mg,Mn)(CO₃)₂ . Elle est difficile à distinguer de la dolomie sans une analyse chimique précise.

Source - © 2023 Bernard Barailler

Figure 8. Dolomie-Ankérite, Orpierre (Hautes-Alpes)

La strontianite est un carbonate de strontium (SrCO₃). C'est un minéral hydrothermal de basse température. Elle ressemble en termes de faciès à l'aragonite (même groupe isostructurel). En effet, on a généralement une solution solide strontianite-aragonite où le strontium est remplacé partiellement par le calcium.

Dans certains sites on peut également trouver des variétés plus complexes comme la strontiodressérite, (Sr,Ca)Al₂(CO₃)₂(OH)₄H₂O.

Source - © 2023 Bernard Barailler Figure 9. Strontianite, Orpierre (Hautes-Alpes)

Source - © 2010 Leon Hupperichs Figure 10. Strontiodressérite, Condorcet (Drôme)

On trouve également d'autres carbonates : aragonite, aurichalcite, cérusite, hydrozincite, malachite, sidérite, smithsonite (cf. Orpierre, Minerals list (Mindat))…

Sur la calcite primaire noire, on trouve fréquemment des cristaux de quartz.

Contrairement à la calcite où il y a une nucléation secondaire et une croissance compétitive, le quartz cristallise sur un tapis de calcite. Il n'y a pas de germes de quartz sur cette calcite noire. On a probablement une nucléation hétérogène à partir d'un défaut ou d'une impureté. Ceci donne un cristal souvent isolé sans orientation préférentielle. Le développement de ses faces est en général harmonieux car il n'est pas en concurrence avec d'autres voisins. Ceci lui permet de capter seul toutes les “unités de croissance” proches. Totalement gemmes et brillants, on appelle souvent de tels cristaux des « diamants de Mirabeau » (en référence à la commune Mirabeau dans les Hautes Alpes).

Source - © 222 D'après Darrell Henry

Figure 11. Champ de stabilité du quartz avec la calcite

Calcite : CaCO₃, Quartz : SiO₂, Wollastonite : CaSiO₃.

Il s'agit d'une croissance hydrothermale à partir de l'acide orthosilicique suivant la réaction :

SiO₂ (s) + 2H₂O (l) ↔ H₄SiO₄ (aq) (1) (acide orthosilicique).

Le quartz et la calcite peuvent coexister dans une large gamme de pression-température (figure 11).

Les habitus de ces quartz sont caractéristiques des quartz de basse température (T<270°C) des zones à huiles puis à méthane (Gnos et al., 2021 [4]) (figure 12).

Source - © 2021 D'après Gnos et al., 2021 [4]

Figure 12. Habitus du quartz des zones à huiles et à méthane

De façon cohérente, la température d'homogénéisation détectée dans les inclusions fluides de ces quartz est T_h<220°C (Guilhaumou et al., 1988 [6]).

Dans ces inclusions fluides, la phase gazeuse est en général à plus de 90 % le méthane (Guilhaumou et al., 1988 [6]). Ceci est de nature à conforter le modèle de genèse lié à la SMTZ.

Source - © 2023 Bernard Barailler - Géosciences Montpellier

Figure 13. Spectrogramme d'un quartz "diamant" d'Orpierre (Hautes-Alpes)

Le quartz semble apparaitre en même temps que la dolomie. Les cristaux de quartz peuvent être posés sur des dolomies ou inversement.

Source - © 2023 Bernard Barailler

Figure 14. Quartz de 8 mm sur dolomie, Orpierre (Hautes-Alpes)

Les inclusions fluides d'hydrocarbures au sein des cristaux de quartz (figures suivantes) suggèrent que les phases fluides SiO₂ et hydrocarbures coexistent à une époque. La précipitation du quartz se serait produite à des profondeurs d'enfouissement supérieures à 2000 m.

Il est à noter qu'à 200°C et 200 MPa, soit environ à 6 km de profondeur, on peut mettre en solution environ 500 mg de SiO₂ dans 1 kg de H₂O.

Les habitus étant variés, certains auteurs évoquent une diagenèse allant jusqu'à un métamorphisme bas grade (Gaidon, 1988 [2]).

Source - © 2023 Bernard Barailler Figure 15. Quartz (8 mm) avec inclusions, Orpierre (Hautes-Alpes)

Source - © 2023 Bernard Barailler Figure 16. Inclusions dans un quartz d'Orpierre (Hautes-Alpes)

Source - © 2023 Bernard Barailler Figure 17. Inclusions inframillimétriques dans un quartz, Orpierre (Hautes-Alpes)

Source - © 2023 Bernard Barailler Figure 18. Quartz diamant avec inclusion de méthane, Orpierre (Hautes-Alpes)

En plus des habitus des quartz communément cités, il existe des habitus plus rares. Le quartz « citadelle » en est un exemple (figure 19). On trouve également des « noyaux » de calcédoine entourée de quartz drusiques (en revêtement sur une surface).

Source - © 2023 Bernard Barailler

Figure 19. Quartz (7 mm), habitus citadelle, Orpierre (Hautes-Alpes)

Deux autres habitus ont leurs terminaisons tronquées (figures 20 et 21) (Martin, 1974 [10]). Plus rare, un habitus tronqué, creux en son centre suivant l'axe “c”, dans lequel on pourrait mettre une épingle ou une allumette (figures 22 et 23).

Ces formes de croissance contrariée ressemblent au quartz fenêtre. La présence d'hydrocarbures pourrait avoir gêné la croissance des faces principales au profit des arêtes comme dans les structures squelettiques ou en trémie.

Source - © 1974 D'après Martin [10], photo J.-L. Porte Figure 20. Habitus de quartz tronqué (ω , π)	Source - © 1974 D'après Martin [10], photo J.-L. Porte Figure 21. Habitus de quartz tronqué (π)
Source - © 2023 Bernard Barailler Figure 22. Habitus de quartz creux	Source - © 2023 Bernard Barailler Figure 23. Quartz creux (7 mm), Orpierre (Hautes-Alpes)

Enfin, l'activité cyclique des fluides hydrothermaux peut se voir au travers de la croissance d'un quartz atypique. En effet, on a des épisodes successifs de cristallisation de quartz : monocristal, mise en place d'un sceptre, puis cristallisation recouvrante par un monocristal (figures 24 à 26).

Source - © 2023 Bernard Barailler Figure 24. Cristallisation polyphasée d'un quartz d'Orpierre (Hautes-Alpes)
Source - © 2023 Bernard Barailler Figure 25. Quartz à croissance polyphasée, Orpierre (Hautes-Alpes) Sous l'“enveloppe” générale, on retrouve un quartz en sceptre (hampe en bas et “pommeau” en haut) (voir schéma, figure 24).	Source - © 2023 Bernard Barailler Figure 26. Zoom sur la “tête” d'un quartz à croissance polyphasée, Orpierre (Hautes-Alpes) On reconnait le haut du quartz en sceptre (“pommeau” sur la hampe) sous l'enveloppe du quartz enveloppant (voir schéma, figure 24).

Pour le plaisir des yeux, deux autres exemples de quartz ayant crû dans des septarias sont présentés ci-dessous.

Source - © 2023 Bernard Barailler Figure 27. Quartz, 15 mm, Orpierre (Hautes-Alpes)

Source - © 2023 Bernard Barailler Figure 28. Quartz, 8 mm, Condorcet (Drôme)

La zone de transition sulfate méthane (SMTZ) évoquée précédemment, ainsi que les évaporites sous-jacentes du Trias (cf. Orpierre (Hautes Alpes) : plis, falaises d'escalade, mines et minéraux), sont des sources d'ions SO₄²⁻. Associés aux ions Ba²⁺, Sr²⁺, Ca²⁺, ils vont former respectivement la barytine BaSO₄, la célestine SrSO₄, et le gypse CaSO₄,2H₂O.

Source - © 2023 Bernard Barailler - Géosciences Montpellier

Figure 29. Diffractogramme de barytine noire, Saint-Michel (près d'Orpierre) (Hautes-Alpes)

Source - © 2023 Bernard Barailler / collection Éric Rodari

Figure 30. Barytine dans une septaria (13x9 cm), Orpierre (Hautes-Alpes)

On peut également trouver d'autres minéraux associés à ces sulfates : la célesto-barytine (Ba_x, Sr_1-x)SO₄, la withérite (BaCO₃) en produit d'altération de la barytine (Rostan, 1980 [15])… Dans le secteur de Saint-Michel (Hautes-Alpes), on trouve des septarias remplies de barytine noire. Elles sont associées à la calcite magnésienne.

Source - © 2023 Bernard Barailler Figure 31. Célestine (1 cm), Beauvoisin (Drôme)

Source - © 2023 Bernard Barailler Figure 32. Célestine (cristal 8 mm), Condorcet (Drôme)

Pour compléter de façon non exhaustive la paragenèse locale, on trouve également de nombreux hydrocarbures.

L'évenkite (C₂₄H₅₀) est un minéral reconnue par l'IMA (International Mineralogical Association). C'est une sorte de paraffine qui cristallise dans le système orthorhombique. Son identification est difficile. En effet, la fracturation d'un nodule sur site peut donner lieu à une expulsion de liquide visqueux jaune verdâtre, comme s'il y était enfermé sous pression. Celui-ci est fluide et en partie volatil. Pour conserver ces échantillons, il faut ne pas les rincer à l'eau mais rapidement les enfermer dans un récipient hermétique. Son occurrence est rare (Spangenberg, 1998 [18]).

On trouve également de la hartite (C₂₀H₃₄) et de l'idrialite (C₂₂H₁₄).

En complément des informations paléo-environnementales déduites du modèle de formation des septarias (cf. La genèse des septarias, nodules énigmatiques), les séquences de cristallisation permettent de décrire l'enchainement de la genèse des minéraux d'un site et de déterminer les paramètres de pression et température successifs enregistrés dans les différentes phases minérales. L'objectif est également de lier cette genèse à des remontées de fluides et des évènements tectoniques majeurs.

Voici une séquence typique de cristallisation dans les septarias carbonatées à partir des données d'Orpierre (Hautes-Alpes).

Source - © 2023 Bernard Barailler

Figure 33. Séquence de cristallisation du site d'Orpierre

De façon plus générale, ces séquences dans les marnes de l'Oxfordien ont en commun les phases initiales de méthanogenèse (SMTZ et AOM) et de diagenèse précoce (Lerouge, 2011[8]). Elles divergent ensuite en fonction des facteurs de sédimentation locaux et des évènements tectoniques qui affectent chaque site. En effet, les nodules de type septaria se fracturent et se scellent avec des ciments carbonatés, puis peuvent se fracturer à nouveau, etc. Ils enregistrent alors les migrations des fluides et incorporent la cristallisation, la dissolution ou l'altération des minéraux... Les fluides peuvent provenir de la diagenèse des marnes encaissantes. Des diaclases remplies de carbonates, perpendiculaires aux strates des marnes suggèrent aussi l'existence de remontées potentielles de fluides hydrothermaux (Gay, 2020 [3]). Ils peuvent également venir de niveaux plus profonds et remonter à la faveur de failles. Ces fluides incorporent des hydrocarbures issus des marnes noires qui vont ensuite être piégées dans des inclusions fluides comme pour les quartz. Elles fournissent alors de précieux indices sur la nature des fluides, les températures de cristallisation…