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liberté doivent être pris en considération lors de l'analyse des compositions chimiques des roches plutoniques en général et celles des granitoïdes en particulier puisqu'il n'existe aucune preuve pétrographique que leurs compositions correspondent à celles de liquides. La présente Note décrit la géométrie du domaine des compositions chimiques engendré par ces deux mécanismes à partir d'un magma parent commun. Une procédure géochimique d'identification des lignées est proposée à partir de ces considérations et appliquée au cas des granitoïdes à deux micas hercyniens de la région de Vila Real (Nord Portugal). GÉOMÉTRIE DU DOMAINE DES COMPOSITIONS CHIMIQUES POUR UNE SUITE COGÉNÉTIQUE. — Les notions et les représentations utilisées ici ne présentent aucun caractère de nouveauté [1] mais doivent être rappelées brièvement : Cmo, concentration dans le magma parent M0; F, fraction liquide résiduelle (variable de 1 à Fx); Dn, coefficients de répartition globaux instantanés entre la fraction solide différentielle et le magma; Cs, Cm, concentrations instantanées dans les solides et le magma. C. R. Acad. Sci. Paris, t. 307, Série II, p. 1879-1885, 1988 1881 L'évolution des liquides produits par cristallisation fractionnée sous l'hypothèse Dn = Cte est décrite par la loi de Rayleigh : La composition de la fraction solide supplémentaire séparée à tout instant suit une loi du même type puisque Cs/Cra est supposé constant. Le domaine de compositions chimiques engendré par les mélanges entre des liquides cogénétiques et leurs propres cumulats est représenté sur la figure 1 pour un couple d'éléments à comportement contrasté comprenant un élément compatible (c) et un élément incompatible (i). L'évolution des liquides M0 → M1 et celle des solides S0 → S1 sont représentées par des droites de pente (p) en coordonnées bilogarithmiques (fig. 1 a) et par des courbes en coordonnées ordinaires (fig. 1 b). Pour une évolution donnée M0 → M1 des liquides, les coefficients de répartition globaux Dn, Dj sont liés à (p) par la relation : 1— Dj = 1— Dc; le choix de ces paramètres détermine en fait la position de S1 relativement à M0, M1 et les variations de F le long des trajets M0 → M1 et
séparée à tout instant suit une loi du même type puisque Cs/Cra est supposé constant. Le domaine de compositions chimiques engendré par les mélanges entre des liquides cogénétiques et leurs propres cumulats est représenté sur la figure 1 pour un couple d'éléments à comportement contrasté comprenant un élément compatible (c) et un élément incompatible (i). L'évolution des liquides M0 → M1 et celle des solides S0 → S1 sont représentées par des droites de pente (p) en coordonnées bilogarithmiques (fig. 1 a) et par des courbes en coordonnées ordinaires (fig. 1 b). Pour une évolution donnée M0 → M1 des liquides, les coefficients de répartition globaux Dn, Dj sont liés à (p) par la relation : 1— Dj = 1— Dc; le choix de ces paramètres détermine en fait la position de S1 relativement à M0, M1 et les variations de F le long des trajets M0 → M1 et S0 → S1. Sur la figure 1 b, les compositions des mélanges entre liquides et cumulats associés sont des droites tangentes à l'origine à la courbe d'évolution des liquides; les différentes positions possibles des points S0 et S1 sont portées par des droites de la même famille qui délimitent latéralement le domaine. Sur la figure 1 a, toutes ces courbes de mélange ont la même forme géométrique; elles peuvent être paramétrées en fonction de la proportion de solides cumulés présents dans chaque assemblage. Comme l'a fait remarquer Cocherie [2], les mélanges contenant une proportion modérée de solides (moins de 30%) ne peuvent guère être distingués des vrais liquides par la géochimie. Par contre, les compositions dominées par les solides pourront s'écarter sensiblement de M0 → M1 et faire apparaître graphiquement la dispersion liée à ces mélanges. Si nous considérons maintenant un couple d'éléments à comportement semblable, c'est-à-dire dont les coefficients de répartition globaux sont très voisins, le domaine accessible aux compositions des mélanges entre les liquides et leurs cumulats aura dans tous les cas une forme allongée (avec une pente voisine de l'unité en coordonnées bilogarithmiques) qui ne pourra pas, dans la pratique, être distinguée d'une droite. Ce type de
le domaine. Sur la figure 1 a, toutes ces courbes de mélange ont la même forme géométrique; elles peuvent être paramétrées en fonction de la proportion de solides cumulés présents dans chaque assemblage. Comme l'a fait remarquer Cocherie [2], les mélanges contenant une proportion modérée de solides (moins de 30%) ne peuvent guère être distingués des vrais liquides par la géochimie. Par contre, les compositions dominées par les solides pourront s'écarter sensiblement de M0 → M1 et faire apparaître graphiquement la dispersion liée à ces mélanges. Si nous considérons maintenant un couple d'éléments à comportement semblable, c'est-à-dire dont les coefficients de répartition globaux sont très voisins, le domaine accessible aux compositions des mélanges entre les liquides et leurs cumulats aura dans tous les cas une forme allongée (avec une pente voisine de l'unité en coordonnées bilogarithmiques) qui ne pourra pas, dans la pratique, être distinguée d'une droite. Ce type de projection est extrêmement utile car il superpose les effets des mélanges liquides-cumulats à ceux de la différenciation; il peut donc être utilisé pour distinguer plusieurs lignées les uns des autres. Il va de soi que cette « linéarisation » n'est automatique que si les différentes phases solides cumulées ont conservé leurs proportions relatives lors de la séparation liquide-solides, c'est-à-dire si l'on a affaire à des cumulats totaux, ce qui n'est pas toujours le cas dans les granitoïdes. Dans le cas général où Dl et Dc sont différents, la forme du domaine engendré par les mélanges entre liquides et cumulats reste toujours assez allongée, ce qui peut donner l'impression que l'on a affaire à une lignée de liquides. Cependant, une telle interprétation est dangereuse car : — l'extension du domaine, prise entre la composition du cumulat le moins évolué (S0) et celle du liquide le plus différencié (Mx), peut être beaucoup plus importante que celle qui caractérise l'évolution du liquide; — la pente moyenne de ce domaine peut être nettement plus forte que celle qui caractérise l'évolution des liquides (fig. la). Si l'on ne prend pas en considération l'éventualité de mélanges liquides-cumulats, le risque principal est donc de surévaluer les variations
leurs proportions relatives lors de la séparation liquide-solides, c'est-à-dire si l'on a affaire à des cumulats totaux, ce qui n'est pas toujours le cas dans les granitoïdes. Dans le cas général où Dl et Dc sont différents, la forme du domaine engendré par les mélanges entre liquides et cumulats reste toujours assez allongée, ce qui peut donner l'impression que l'on a affaire à une lignée de liquides. Cependant, une telle interprétation est dangereuse car : — l'extension du domaine, prise entre la composition du cumulat le moins évolué (S0) et celle du liquide le plus différencié (Mx), peut être beaucoup plus importante que celle qui caractérise l'évolution du liquide; — la pente moyenne de ce domaine peut être nettement plus forte que celle qui caractérise l'évolution des liquides (fig. la). Si l'on ne prend pas en considération l'éventualité de mélanges liquides-cumulats, le risque principal est donc de surévaluer les variations de F, c'est-à-dire l'étendue de la différenciation. Inversement, la combinaison d'une différenciation par cristallisation fractionnée et de mélanges liquides-cumulats totaux en proportions variables permettra de rendre compte simultanément d'enrichissements et d'appauvrissements relatifs importants dans une lignée de granitoïdes sans nécessiter une différenciation extrême des liquides. GRANITÉS À DEUX MICAS HERCYNIENS DE LA RÉGION DE VILA REAL (NORD PORTUGAL). — Le batholite de Vila Real est constitué d'un assemblage complexe d'intrusions granitiques présentant une minéralogie assez uniforme (quartz, feldspath potassique, plagioclase sodique, biotite et muscovite, sillimanite ou tourmaline occasionnels et ilménite, anatase, apatite, zircon, monazite); les différents faciès peuvent être distingués par la taille du grain, l'abondance de la biotite, le caractère porphyroïde ou non, la forme et la taille des phénocristaux de feldspath potassique ([3], [4]). Ces granités présentent un caractère peralumineux bien marqué, des variations modestes des teneurs en SiO2, Al2O3, Na2O, K2O, P2O5, mais des variations relatives très importantes de TiO2, MgO et de plusieurs éléments en traces (Th, La, Zr...) dont les teneurs décroissent rapidement avec celles de MgO et TiO2. La figure 2 présente quelques-unes des variations chimiques les plus représentatives dans ces granités. Elle souligne l'extension considérable du domaine de variation pour certains éléments (La,
DE LA RÉGION DE VILA REAL (NORD PORTUGAL). — Le batholite de Vila Real est constitué d'un assemblage complexe d'intrusions granitiques présentant une minéralogie assez uniforme (quartz, feldspath potassique, plagioclase sodique, biotite et muscovite, sillimanite ou tourmaline occasionnels et ilménite, anatase, apatite, zircon, monazite); les différents faciès peuvent être distingués par la taille du grain, l'abondance de la biotite, le caractère porphyroïde ou non, la forme et la taille des phénocristaux de feldspath potassique ([3], [4]). Ces granités présentent un caractère peralumineux bien marqué, des variations modestes des teneurs en SiO2, Al2O3, Na2O, K2O, P2O5, mais des variations relatives très importantes de TiO2, MgO et de plusieurs éléments en traces (Th, La, Zr...) dont les teneurs décroissent rapidement avec celles de MgO et TiO2. La figure 2 présente quelques-unes des variations chimiques les plus représentatives dans ces granités. Elle souligne l'extension considérable du domaine de variation pour certains éléments (La, TiO2 et Zr ont un comportement très voisin et leurs variations très bien corrélées permettent de séparer deux lignées distinctes correspondant respectivement : — aux faciès à grain fin, considérés comme tardifs en cartographie [4] et formant des intrusions de très petite taille; — aux autres faciès sans distinction. Fig. 1. — Domaine de composition chimique des mélanges entre liquides et cumulats produits par cristallisation fractionnée d'un parent commun M0. Le même domaine est représenté en coordonnées bilogarithmiques (a) et en coordonnées simples (b). M0-M, : évolution des liquides; S0-S1 : composition instantanée de la fraction solide cumulée; [D1, D2] : valeurs des coefficients de répartition globaux compatibles avec l'évolution des liquides. Les courbes de mélange entre liquides et solides associés sont indiquées en traits tiretés et graduées en pourcentage de solides dans le mélange. Fig. 1. — Chemical variations induced by combined fractional crystallization of a parental magma M0 and mixing of the subsequent liquids with the cumulated solid phases. The same compositional domain is shown using bilogarithmic coordinates (a) and ordinary ones (b). M0-M1 is the trend for liquid evolution; S0-S1 represents the trend of instantaneously cumulated solid phases; [D1, D2] are possible values of the bulk partition
1. — Domaine de composition chimique des mélanges entre liquides et cumulats produits par cristallisation fractionnée d'un parent commun M0. Le même domaine est représenté en coordonnées bilogarithmiques (a) et en coordonnées simples (b). M0-M, : évolution des liquides; S0-S1 : composition instantanée de la fraction solide cumulée; [D1, D2] : valeurs des coefficients de répartition globaux compatibles avec l'évolution des liquides. Les courbes de mélange entre liquides et solides associés sont indiquées en traits tiretés et graduées en pourcentage de solides dans le mélange. Fig. 1. — Chemical variations induced by combined fractional crystallization of a parental magma M0 and mixing of the subsequent liquids with the cumulated solid phases. The same compositional domain is shown using bilogarithmic coordinates (a) and ordinary ones (b). M0-M1 is the trend for liquid evolution; S0-S1 represents the trend of instantaneously cumulated solid phases; [D1, D2] are possible values of the bulk partition coefficients consistent with the liquid trend. Mixtures between liquids and the associated solids plot on dashed lines along which the percentage of the solid component is indicated. C. R. Acad. Sci. Paris, t. 307, Série II, p. 1879-1885, 1988 1883 Il est difficile de rendre compte de variations relatives de teneurs aussi importantes dans le cadre d'un modèle de fusion partielle : — la fusion partielle à taux variable [2] produit des liquides assez peu contrastés du point de vue des constituants compatibles (MgO, TiO2 et dans ce cas La et Zr); — dans les granités peralumineux, ces variations sont souvent imputées à l'effet d'une composante restituite d'origine métasédimentaire [5]; mais cette interprétation n'explique pas la régularité des relations TiO2/Zr au sein de ces séries (Garcia, en préparation) : le mécanisme de mélange magma-restites invoqué par White et Chappell [5] devrait s'accompagner ici d'une homogénéisation poussée du matériel mobilisé, ce qui ne permet plus de rendre compte du large intervalle de compositions qui est observé. La cristallisation fractionnée constitue donc probablement le mode de différenciation principal dans ces séries, ce qui ne préjuge pas de l'origine de leur magma parent. Ces granités montrent par ailleurs des enrichissements relatifs importants en
teneurs aussi importantes dans le cadre d'un modèle de fusion partielle : — la fusion partielle à taux variable [2] produit des liquides assez peu contrastés du point de vue des constituants compatibles (MgO, TiO2 et dans ce cas La et Zr); — dans les granités peralumineux, ces variations sont souvent imputées à l'effet d'une composante restituite d'origine métasédimentaire [5]; mais cette interprétation n'explique pas la régularité des relations TiO2/Zr au sein de ces séries (Garcia, en préparation) : le mécanisme de mélange magma-restites invoqué par White et Chappell [5] devrait s'accompagner ici d'une homogénéisation poussée du matériel mobilisé, ce qui ne permet plus de rendre compte du large intervalle de compositions qui est observé. La cristallisation fractionnée constitue donc probablement le mode de différenciation principal dans ces séries, ce qui ne préjuge pas de l'origine de leur magma parent. Ces granités montrent par ailleurs des enrichissements relatifs importants en Ta, W, Cs, Sn, le plus souvent dans les termes leucocrates. Ces éléments sont bien corrélés entre eux, ce qui constitue un argument supplémentaire en faveur du cogénétisme des différentes intrusions, et une teneur « moyenne » peut être affectée à chacune d'elles (à l'exception des termes à grain fin pour lesquels notre échantillonnage est insuffisant). En dépit de ce cogénétisme présumé, nous observons sur un diagramme TiO2/Ta (fig. 2c) une dispersion importante des compositions moyennes des différents faciès granitiques. Si notre interprétation précédente est correcte, il faut en conclure qu'elles ne représentent pas toutes des compositions de liquides. Ta a été choisi en raison de sa stabilité dans les processus hydrothermaux et il est peu probable que cette dispersion des teneurs soit de nature secondaire; il est donc naturel de l'attribuer à la présence dans ces granités d'une composante cumulatique non négligeable et d'importance variable d'une intrusion à l'autre. Il est possible de visualiser de manière simple l'importance de la fraction cumulatique dans les différentes intrusions en utilisant un diagramme La/TiO2 vs Ta (fig. 3). Ce type de diagramme a pour objet de séparer les variables caractérisant le degré de différenciation (F) et la proportion entre liquides et solides
pour lesquels notre échantillonnage est insuffisant). En dépit de ce cogénétisme présumé, nous observons sur un diagramme TiO2/Ta (fig. 2c) une dispersion importante des compositions moyennes des différents faciès granitiques. Si notre interprétation précédente est correcte, il faut en conclure qu'elles ne représentent pas toutes des compositions de liquides. Ta a été choisi en raison de sa stabilité dans les processus hydrothermaux et il est peu probable que cette dispersion des teneurs soit de nature secondaire; il est donc naturel de l'attribuer à la présence dans ces granités d'une composante cumulatique non négligeable et d'importance variable d'une intrusion à l'autre. Il est possible de visualiser de manière simple l'importance de la fraction cumulatique dans les différentes intrusions en utilisant un diagramme La/TiO2 vs Ta (fig. 3). Ce type de diagramme a pour objet de séparer les variables caractérisant le degré de différenciation (F) et la proportion entre liquides et solides dans un mélange donné : — TiO2 et La sont très fortement fractionnés en faveur des solides dans l'évolution (fig. 2); dans un mélange liquide-cumulat, la valeur du rapport La/TiO2 est donc principalement déterminée par la composition du cumulat, sauf lorsque celui-ci est trop minoritaire : ce rapport fournit donc une bonne estimation du degré d'évolution de la fraction solide. Les courbes de mélange présentent ainsi sur ce diagramme une forme remarquable, proche d'une droite verticale sur une grande partie de leur course et ne s'incurvant qu'au voisinage immédiat du trajet suivi par les liquides; — par ailleurs, si le coefficient de répartition global DTa est suffisamment faible, l'essentiel du Ta contenu dans un mélange donné est porté par la fraction liquide, ce qui permet d'apprécier son importance. Les valeurs choisies pour DTa, DTi et DLa pour représenter le domaine de composition théorique sur la figure 3 permettent de rendre compte de manière satisfaisante de la dispersion des compositions observées dans les granités à deux micas de Vila Real; l'évaluation précise de ces paramètres ne peut pas être discutée dans le cadre de cette note car elle fait appel à d'autres données chimiques sur les granitoïdes du batholite. Remarquons simplement
une bonne estimation du degré d'évolution de la fraction solide. Les courbes de mélange présentent ainsi sur ce diagramme une forme remarquable, proche d'une droite verticale sur une grande partie de leur course et ne s'incurvant qu'au voisinage immédiat du trajet suivi par les liquides; — par ailleurs, si le coefficient de répartition global DTa est suffisamment faible, l'essentiel du Ta contenu dans un mélange donné est porté par la fraction liquide, ce qui permet d'apprécier son importance. Les valeurs choisies pour DTa, DTi et DLa pour représenter le domaine de composition théorique sur la figure 3 permettent de rendre compte de manière satisfaisante de la dispersion des compositions observées dans les granités à deux micas de Vila Real; l'évaluation précise de ces paramètres ne peut pas être discutée dans le cadre de cette note car elle fait appel à d'autres données chimiques sur les granitoïdes du batholite. Remarquons simplement que certaines intrusions présentent nécessairement un caractère « cumulatique » très prononcé et que, dans la plupart des cas, il s'agit de termes très peu différenciés; ces roches sont d'ailleurs les plus abondantes dans le batholite (monzogranites porphyroïdes riches en biotite). Au contraire, les termes différenciés (leucocrates) semblent être plus proches des compositions de liquides; 1884 C. R. Acad. Sci. Paris, t. 307, Série II, p. 1879-1885, 1988 être plus proches des compositions de liquides; le domaine effectivement occupé est donc plus réduit que celui qui est a priori autorisé et sa forme générale sur ce diagramme comme sur le diagramme TiO2/Ta est beaucoup plus « linéaire » : il n'en est que plus facile d'interpréter ces variations — à tort selon notre point de vue — comme celles de liquides et de surestimer ainsi l'importance du processus de différenciation. CONCLUSIONS. — Certaines lignées de granités montrent simultanément des enrichissements importants en éléments incompatibles (Ta, Sn, W...) et des appauvrissements considérables en éléments compatibles (MgO, TiO2...). Nous proposons pour en rendre compte un modèle simple combinant une différenciation des liquides par un mécanisme de cristallisation fractionnée et des mélanges en proportions variables de ces liquides avec les cumulats totaux issus
proches des compositions de liquides; 1884 C. R. Acad. Sci. Paris, t. 307, Série II, p. 1879-1885, 1988 être plus proches des compositions de liquides; le domaine effectivement occupé est donc plus réduit que celui qui est a priori autorisé et sa forme générale sur ce diagramme comme sur le diagramme TiO2/Ta est beaucoup plus « linéaire » : il n'en est que plus facile d'interpréter ces variations — à tort selon notre point de vue — comme celles de liquides et de surestimer ainsi l'importance du processus de différenciation. CONCLUSIONS. — Certaines lignées de granités montrent simultanément des enrichissements importants en éléments incompatibles (Ta, Sn, W...) et des appauvrissements considérables en éléments compatibles (MgO, TiO2...). Nous proposons pour en rendre compte un modèle simple combinant une différenciation des liquides par un mécanisme de cristallisation fractionnée et des mélanges en proportions variables de ces liquides avec les cumulats totaux issus de cette différenciation. La dispersion des compositions introduite par ces deux mécanismes est apparente sur les diagrammes opposant des éléments à comportement contrasté (TiO2/Ta par exemple); sur des diagrammes opposant des éléments à comportement semblable (TiO2/MgO de façon générale, TiO2/Zr dans les granités de Vila Real), nous observons du fait de ces processus combinés : — des corrélations extrêmement étroites dans lesquelles ces éléments restent pratiquement proportionnels entre eux; ces diagrammes permettent le cas échéant de mettre en évidence l'existence de lignées distinctes; — une extension considérable des domaines de composition chimique qui masque des variations réelles des compositions des liquides beaucoup plus modestes et souvent difficiles à apprécier. Cette interprétation conduit à considérer certaines intrusions comme largement cumulatiques. Le mécanisme de différenciation le plus probable de ces termes peut être schématisé ainsi : — cristallisation fractionnée du matériel injecté, le liquide résiduel suivant à tout instant une loi de Rayleigh; — puis, à un stade plus ou moins avancé de ce processus (identifié ici par le rapport La/TiO2 du solide formé), extraction plus ou moins complète du liquide leucocrate restant. Dans la plupart des cas, les roches formées de cette manière présentent les caractères propres aux cumulats totaux, sans