The phyllosilicates in diagenetic-metamorphic rocks of the South Portughese Zone, southwestern Portugal

Abstract

[EN] Devonian and Carboniferous metasedimentary sequences in the southernmost sector of the Iberian Massif, part of the Hercynian Orogen in southwestern Portugal, contain shales and slates of low but variable metamorphic grade. These rocks have been studied by optical microscopy and XRD to obtain basic data on their clay mineralogy and crystal-chemical parameters (IC, the index of "crystallinity", b and d001). Electron-microscopy techniques (SEM, HRTEM and AEM) have been used to characterize the textural relationships and chemical evolution of the minerals, mainly the phyllosilicates. A good correlation has been found between the data determined by XRD methods and by electron microscopy. The main mineral association is quartz + dioctahedral K-rich mica + feldspars, but Na–K intermediate mica, paragonite, kaolinite and chlorite also are present, although discontinuously. The thickness of crystallites measured directly from lattice-fringe images is related to the IC, providing information on the evolution of the metamorphism through the sequences, with decreasing IC from southwest to northeast. The IC values for both the Brejeira and Mira formations correspond to diagenesis and anchizone, the Mértola and Phyllite–Quartzite formations, to high anchizone–epizone, and the Pulo do Lobo Formation presents values typical of epizonal conditions. Despite this pattern of evolution, however, the changes in metamorphic grade are not progressive, and the abrupt changes found between the characteristic values of each stratigraphic formation are interpreted as being associated with thrust surfaces. Textural data provide a clear contrast between the samples of different grade, with the lowest-grade samples showing a bedding-parallel microfabric and stacks of phyllosilicates. The most strongly metamorphosed pelites, on the other hand, present a crenulation-cleavage microfabric and a recrystallized matrix. As grade of metamorphism increases, crystal thickness increases and defects decrease in the phyllosilicates, although chlorite shows a higher density of strain-related defects than mica. There is wide scatter in the chemical data for both dioctahedral micas and chlorites, but some chemical characteristics can still be discerned. XRD and AEM reveal a tendency for the micas to be more similar to muscovite and less to illite with increasing metamorphic grade, although both compositions are present in all samples. The extent of phengitic substitution is extremely low, indicating low-pressure conditions. The formation of chlorite and its composition are mainly controlled by the host-rock composition.

[FR] Les séquences métasédimentaires dévoniennes et carbonifères du secteur extrême-sud du Massif Ibérique, faisant partie de l’orogène hercynienne dans le sud-ouest du Portugal, contient des shales et des ardoises formés à un degré de métamorphisme faible mais variable. Ces roches ont été étudiées par microscopie optique et par diffraction X afin d’obtenir des données de base à propos de leur contenu en argiles et les paramètres cristallochimiques associés (IC, l’indice de “cristallinité”, b et d001). Les techniques de microscopie électronique à balayage, microscopie électronique à haute résolution et microscopie électronique analytique ont été utilisées pour caratériser les relations texturales et l’évolution chimique des minéraux, surtout les phyllosilicates. Une bonne relation existe entre les données obtenues en diffraction X et celles obtenues par microscopie électronique. L’association principale de minéraux est quartz + mica dioctaédrique riche en K + feldspaths, mais les roches contiennent aussi un mica intermédiaire à Na–K, paragonite, kaolinite et chlorite, quoique de façon non uniforme. L’épaisseur des cristallites, mesurée directement à partir des images de franges réticulaires, est liée à l’indice de cristallinité, et fournit donc une information à propos de l’évolution du métamorphisme dans ces séquences: l’indice de cristallinité diminue du sud-ouest vers le nord-est. Les valeurs de cet indice dans les roches des formations de Brejeira et Mira correspondent à celles attendues d’un milieu de diagenèse ou de l’anchizone; dans les roches des formations Mértola et Phyllite–Quartzite, elles correspondent à l’anchizone supérieur ou à l’épizone, tandis que dans la Formation de Pulo do Lobo, elles sont typiques de l’épizone. Malgré cette disposition en zones, les changements en degré de métamorphisme ne seraient pas progressifs. Les démarcations abruptes entre les valeurs caractéristiques de chaque formation stratigraphique résulteraient de la présence de surfaces de chevauchement. Les données texturales fournissent une indication claire du degré de recristallisation, les échantillons les plus faiblement recristallisés produisant une microstructure parallèle au litage et des empilements de phyllosilicates. En revanche, les échantillons pélitiques les plus intensément recristallisés contiennent un clivage dû à un microplissement, et une matrice recristallisée. A mesure qu’augmente le degré de métamorphisme, l`épaisseur des cristaux augmente, et la densité de défauts diminue dans les phyllosilicates, quoique la chlorite possède une densité plus élevée de défauts dus à la déformation que le mica. La composition des micas dioctaédriques et de la chlorite varie grandement, mais il est encore possible d’en extraire certaines généralités. Les données obtenues par diffraction X et par microscopie électronique analytique montrent une tendance pour le mica dioctaédrique de ressembler davantage à la muscovite qu’à l’illite à mesure que l’intensité du métamorphisme augmente, quoique les deux compositions sont présentes dans tous les échantillons. La portée d’une substitution vers la phengite est très limitée, conforme à la faible pression de recristallisation. La formation de la chlorite et sa composition dépendent surtout de la composition de la roche-hôte.