Abstract

In the Otter Lake area of Quebec, in the southern Grenville Province of the Canadian Shield, mineral zones a few cm wide occur at boundaries between deformed sheets of amphibolite and the enclosing K-feldspar gneiss. The zones consist of a biotite-rich subzone (free of hornblende) adjacent to amphibolite, and one with abundant plagioclase (free of K-feldspar) adjacent to gneiss. Thus biotite and plagioclase evidently crystallized at the expense of hornblende and K-feldspar. Referring to amphibolite as A, the entire reaction-zone as B, and gneiss as C, then for any element that was locally conserved,

 
\[\mathit{a{^\prime}}\ =\ \frac{\mathit{fd}^{B}\mathit{w}^{B}\ {-}\ \mathit{d}^{C}\mathit{w}^{C}}{\mathit{d}^{A}\mathit{w}^{A}\ {-}\ \mathit{d}^{C}\mathit{w}^{C}}\]

where d stands for rock density, w for weight fraction of the element, and f for fractional change in volume; the variable a′ locates the original amphibolite–gneiss interface, being the distance from that interface to the present interface between the reaction zone and amphibolite, divided by the width of the reaction zone. Applying this equation to 24 major and trace elements, assuming little or no change in volume (f = 1.0) leads to the conclusion that 1) the original amphibolite–gneiss interface was located at the present boundary between the biotite-rich and plagioclase-rich subzones, and 2) in two samples, all of the elements except Cs (gained) and Ca, K, and Ba (lost) were locally conserved. Reaction equations, e.g., 0.65 hornblende + 0.86 K-feldspar → 1.0 biotite + 0.32 albite + 0.25 anorthite + 2.5 quartz (sample 1), are nearly balanced, except for Ca. In addition, the reaction produced gradients in the composition of biotite (0.58 < XMg < 0.48) and plagioclase (0.40 < Xan < 0.21) within the subzone adjacent to gneiss; such gradients can be described by use of diffusion equations. Crystals of garnet, where present, remained passive except that some Ca and Mg entered their margins, in exchange for Fe, resulting in a close approach to Mg–Fe exchange equilibrium with associated crystals of biotite. As reaction progressed, most elements remained in place, in the sense that atoms released from hornblende entered nearby crystallizing biotite; only Ca and Na were displaced across the entire reaction-zones toward gneiss, and K, Ba, and Rb in the opposite direction. Atomic re-arrangements evidently occurred by both within-crystal and crystal-boundary diffusion.

Abstract

Dans la région du lac Otter, province de Québec, dans le secteur sud de la Province du Grenville du Bouclier Canadien, des zones centrimétriques de minéraux néoformés marquent l’interface entre des niveaux déformés d’amphibolite et les roches gneissiques à feldspath potassique qui les renferment. Dans ces zones de réaction, on distingue une sous-zone riche en biotite, dépourvue de hornblende et voisine de l’amphibolite, et une autre riche en plagioclase, dépourvue de feldspath potassique et voisine de l’encaissant gneissique. C’est donc dire que biotite et plagioclase ont de toute évidence cristallisé aux dépens de hornblende et feldspath potassique. Si on considère l’amphibolite comme le domaine A, la zone de réaction entière comme B, et le gneiss comme C, la relation suivante s’applique pour tout élément conservé à courte échelle:

 
\[\mathit{a{^\prime}}\ =\ \frac{\mathit{fd}^{B}\mathit{w}^{B}\ {-}\ \mathit{d}^{C}\mathit{w}^{C}}{\mathit{d}^{A}\mathit{w}^{A}\ {-}\ \mathit{d}^{C}\mathit{w}^{C}}\]

Ici, d représente la densité de la roche, w est la fraction pondérale de l’élément, et f représente le changement fractionnel du volume. Le quantité variable a′ situe l’interface originel entre l’amphibolite et le gneiss, étant la distance entre cet interface et l’interface actuelle entre la zone de réaction et l’amphibolite, divisée par la largeur de la zone de réaction. L’application de cette équation à 24 éléments majeurs et traces, en supposant un changement de volume très faible ou nul (f = 1.0), mène aux conclusions que 1) l’interface amphibolite–gneiss originelle était située au même endroit que l’interface entre les sous-zones à biotite et à plagioclase, et 2) dans deux échantillons, tous les éléments sauf le Cs (qui a augmenté) et le Ca, K, et Ba (perdus) ont été conservés à l’échelle locale. Les équations qui rendent compte de la réaction, par exemple 0.65 hornblende + 0.86 feldspath potassique → 1.0 biotite + 0.32 albite + 0.25 anorthite + 2.5 quartz, sont presque balancées, sauf pour le Ca. De plus, les réactions ont produit des gradients en composition de la biotite (0.58 < XMg < 0.48) et du plagioclase (0.40 < Xan < 0.21) à l’intérieur de la sous-zone adjacente au gneiss; on peut décrire de tels gradients avec des équations prévues pour expliquer la diffusion. Les cristaux de grenat, où ils sont présents, sont demeurés passifs à l’exception d’un peu de Ca et de Mg, qui ont pénétré les bordures en échange pour le Fe, assurant ainsi un équilibre d’échange Mg–Fe avec les cristaux associés de biotite. A mesure que la réaction progressa, la plupart des éléments sont restés sur place, dans le sens que les atomes libérés de la hornblende sont incorporés dans la biotite avoisinante. Seuls Ca et Na ont été déplacés d’une zone à l’autre vers le gneiss, et le K, Ba, et Rb ont migré dans la direction opposée. Les réorganisations d’atomes ont impliqué à la fois diffusion intracristalline et diffiusion à la bordure des cristaux.

(Traduit par la Rédaction)

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