Clay Minerals (1987) 22, 11-20 L ' A L T E R A T I O N D I R E C T E DE M U S C O V I T E S ET DE B I O T I T E S E N H A L L O Y S I T E " MISE E N E V I D E N C E PAR MICROSCOPIE ELECTRONIQUE A BALAYAGE J. E S T E O U L E - C H O U X E T C. B L A N C H E T Equipe de S~dimentologie et de Palynologie, lnstitut de Gkologie, Campus de Beaulieu, Universit~ de Rennes L 35042 Rennes C~dex, France (Received 7 October 1986) RESUME : L'alt6ration de biotites et de muscovites en halloysite a 6t6 mise en 6vidence par l'6tude en MEB dans l'alt6ration de roches granitiques et de micaschistes. Cette transformation d6bute par le d6veloppement d'un r6seau losangique ~ la surface des feuillets de micas. La croissance par 6pitaxie de tubes d'halloysite est parfois accompagn~e par celle de cristaux de goethite. Le MEB montre que l'halloysite se forme directement ~, partir du mica et qu'elle apparait dans les tous premiers stades de l'alt/~ration, quelles que soient les conditions. A B S T R A C T : Alteration of biotite and muscovite to halloysite is described in granitic rocks and in mica-schists. The progressive change from mica to haUoysite is marked by the development of a lozenge-like network. Epitaxic growth tubes of halloysite are sometimes associated with goethite crystallization. SEM shows that halloysite is an initial mineral in the transformation of biotite and of muscovite: this transformation takes place in different environments and in the early stages of weathering. L'alt~ration des micas a fait l'objet d'+tudes tr~s nombreuses et il n'est pas possible de reprendre ici toutes les publications qui traitent de ce sujet. Cependant, il semble bien que la transformation de biotite en halloysite n'ait 6t6 d6crite que par Eswaran & Heng (1976) et mentionn6e par A b d o (1982); de plus si l'apparition directe de kaolinite ~ partir de muscovite a 6t6 mise en ~vidence par Meunier (1980), la formation d'halloysite ~ partir de muscovite n'a pas, fi notre connaissance, 6t~ signal~e. Notre &ude porte sur l'alt6ration de micas des roches granitiques et des micaschistes de Leuhan-Sca~r-Guiscriff (Finist6re) (Fig. I), qui avait particuli~rement retenu notre attention lots d'un travail plus g6n~ral sur les formations superficielles de cette r6gion (Blanchet, 1985). Dans ce secteur, l'intensit6 de l'alt6ration est tr~s in+gale. Le leucogranite et l'aplite qui lui est associ6e sont kaolinis6s aux environs de Guiscriff (ancienne carri6re de kaolin de Kerhouriou (Nicolas 1958)) et au sud de Scafir (carri6re de Stang Blank). Dans le talus d'une nouvelle route, de direction N o r d - S u d passant ~t l'Est de Le Saint, le m~me leucogranite simplement ar6nis6 passe lat+ralement ~ une roche enti~rement kaolinis6e. Les micaschistes sont fr6quemment transform~s en un mat~riau tr+s friable dans lequel peuvent persister des fragments de roches qui s'effritent sous la simple pression des doigts. La fraction fine (inf~rieure ~. 2/zm) y est souvent, sinon inexistante, du moins tr6s faible. Nous pr6sentons ici uniquement les donn+es apport6es par l'+tude en microscopic 61ectronique ~t balayage de micas contenus dans des fragments de roches plus ou moins alt6r6es et aussi de micas isol6s: en effet le MEB permet d'observer la pr6sence de certains 9 1987 The Mineralogical Society J. Estkoule-Choux et C. Blanchet 12 -L. SITUATION '::3 ~Leuhan. LeSaint ? FIG. 1. Localisation de la r6gion +tudi~s. min6raux qui, & a n t en trop petite quantit6 n ' a p p a r a i s s e n t pas aux rayons X, et de visualiser les relations qui existent entre les m i n 6 r a u x de la roche m6re et les m i n ~ r a u x n~oform6s. Le m i c r o s c o p e 61ectronique en transmission a ~t6 utilis~ en particulier pour confirmer la pr6sence de l'halloysite. ETUDE AU MEB ET AU MET Les diffOrentes figures d'altbration des micas Au M E B les micas se pr6sentent sous trois aspects. Developpement d'un r~seau losangique. D a n s l'aplite encore tr~s c o m p a c t e , a p p a r e m m e n t non alt6r6e, un r6seau losangique se d6veloppe ~ la surface de certains micas blancs (Fig. 2(1)). Ce r6seau tend ~. se r6soudre en tubes qui g a r d e n t l ' o r i e n t a t i o n initiale dans l'aplite FIG. 2. Micrographies au MEB montrant le d~veloppement d'un r+seau losangique ~ la surface de feuillets de micas. (1) Alt+ration de la surface d'un feuillet de mica blanc en un r6seau losangique (~ch. Sca 1, aplite consid6r6e comme fra]che). (2) Alteration plus pouss6e de la surface d'un feuillet de mica blanc montrant des r~seaux superposes form6s de tubes imparfaits (6ch. Sca 13, aplite kaolinis+e). (3) Alt+ration de la surface d'un feuillet de biotite en un r+seau losangique (6ch. Gui 9, micaschiste alt6r6 en aiguilles). (4) Alt6ration de la surface d'un feuillet de mica en un r6seau losangique et formation de tubes fi partir des autres feuillets de ce mica vus par la tranche (+ch. Gui 8, micaschiste peu alt+r6). (5) R6seau losangique soulign~ par des cristaux de goethite en surface d'un feuillet d'un mica blanc (+ch Le St 8, leucogranite kaolinis6). (6) Plaquettes hexagonales plus ou moins allong+es de kaolinite se d+veloppant suivant un r~seau losangique, en surface d'un feuillet de mica blanc (+ch. de Plo~meur). L'altkration de muscovite et de biotite en halloysite 13 14 J. Estboule-Choux et C. Blanchet kaolinis6e (Fig. 2(2)). Ces m~mes figures apparaissent sur certains micas d'un micaschiste de Guiscriff (Fig. 2(3) et (4)). Parfois le r6seau n'est pas apparent, mais sa pr6sence est soulign6e par l'orientation des cristaux de goethite qui s'alignent gtla surface du feuillet, suivant deux directions nettes (Fig. 2(5)). Cette croissance orient6e a 6t6 mise en 6vidence 6galement sur des micas blancs du leucogranite kaolinis6 de PloEmeur (Morbihan) off des hexagones de kaolinite sont dispos6s suivant ces deux m~mes directions (Fig. 2(6)). En MET, il est possible de retrouver cet arrangement losangique plus ou moins bien conserv6 et constitu6 par des tubes d'halloysite (Fig. 4(1) et (2)). Altkration massive en halloysite. Dans la m~me aplite encore 'fraiche', d'autres micas blancs pr6sentent sur leur tranche d'abondants tubes d'halloysite dont l'axe d'enroulement est orient6 dans le plan 00l des micas (Fig. 3(1)). Cette image correspond fi une 6tape plus avanc6e de l'alt6ration des muscovites, car il est encore possible dans les cas favorables de voir ~ partir du m~me feuillet, les tubes sortant de la tranche tandis que la surface montre un r6seau losangique flou. Des muscovites extraites du leucogranite seulement ar6nis6 (Est de la carri6re de Stang-Blank) pr6sentent tousles stades, entre un d6but de denticulation formant une sorte de frange en bordure des feuillets jusqu'~ l'individualisation de tr6s nombreux tubes d'halloysite qui peuvent recouvrir le feuillet sous-jacent (Fig. 3(2)). Le m~me type d'alt6ration se trouve sur une biotite provenant de la m~me ar6ne (Fig. 3(3)). Quelques muscovites extraites d'un micaschiste ont montr6 une disposition particuli6re de l'halloysite : la surface du mica est microdivis6e en plaquettes d'allure hexagonale des bords desquels sortent des tubes d'halloysite (Fig. 3(4)). Dans le m~me 6chantillon, l'observation d'un fragment de roche a permis de voir la surface d'un feuillet de mica se desquamer en particules ovo~des en m~me temps que de nombreux tubes d'halloysite semblent sortir du feuillet sous-jacent (Fig. 3(5)). Sur le bord du mica, les particules ovoides se d&achent et il est possible de voir qu'elles sont constitu6es par des rosettes de goethite dont les branches seraient 'repli6es'. Dans ce cas precis, il n'est pas possible de dire si le mica alt6r6 est une biotite ou une muscovite, l'6tat de d6sagr6gation de la roche ne permettant pas de faire un tri. De nombreuses biotites de 2 m m de largeur en moyenne ont 6t6 extraites des micaschistes. Ces biotites sont devenues mordor6es. Elles pr6sentent des degr6s d'alt6ration variables. Certaines montrent seulement un 16ger 6cartement des feuillets, qui peuvent devenir ondul6s. La formation d'halloysite a 6t6 observ6e dans deux 6chantillons sur 11 examin6s. Dans l'un deux, les tubes d'halloysite se d6veloppent sur les bords des feuillets formant la paroi d'une cavit6 laiss6e par la disparition d'une inclusion (Fig. 3(6)). Dans l'autre, les tubes d'halloysite croissent 6galement ~ partir des bords des feuillets du mica et de la goethite cristallise sous forme d'ovo~des (Fig. 5(6)). FIG. 3. Micrographies au MEB mettant en 6vidence la formation d'halloysite /t partir de feuillets de micas. (1) For~t de tubes d'halloysite se d+veloppent aux d~pens des feuillets d'une muscovite (~ch. Sca 1, aplite consid6r6e comme fra~che). (2) Tubes d'halloysite masquant en totalit+ les feuillets d'une muscovite (+ch. Sca 20, leucogranite ar6nis6). (3) Tubes d'halloysite croissant sur les bords de plusieurs lamelles d'une biotite (+ch. Sca 20, leucogranite ar~nis6). (4) Tubes d'halloysite se d+veloppent en bordures de plaquettes provenant de la microdivision de la surface d'une muscovite (+ch. LCP 6, micaschiste alt+r6 en aiguilles). (5) Pellicule de goethite en surface des feuillets de mica (pattie basse de la photo) se d+bitant en ovo~desen m~me temps que des tubes d'halloysite se d~veloppent sur les bords des feuillets de ce m~me mica (+ch. LCP 6, micaschiste alt+r+ en aiguilles). (6) Tubes d'halloysite d~velopp6s sur les bords des feuillets qui forment la paroi d'une cavit~ laiss6e par la disparition d'une inclusion dans une biotite (+ch. Gui 18, micaschiste alt6rb en aiguilles). L'altkration de muscovite et de biotite en halloysite 15 16 J. Est~oule-Choux et C. Blanchet Microdivision en plaquettes de kaolinite. Deux micas blancs extraits du leucogranite kaolinis6 se microdivisent, en surface, en plaquettes d'allure hexagonale (Fig. 4(3) et (4)). Ce m~me aspect a 6t6 observ6 sur les muscovites de l'aplite kaolinis6e et sur de grandes biotites provenant d'un micaschiste (Fig. 4(5)). Ces plaquettes dans tous les cas 6tudi6s correspondent ~t de la kaolinite raise en 6vidence par diffraction X. En MET, il est possible de voir dans les micas, les plaquettes hexagonales de kaolinite allong6es suivant une direction et orient6es parfois en formant un dessin hexagonal. Elles semblent d6couper 5. l'emporte-pi6ce le mica originel (Fig. 4(6)). La morphologie des hydroxydes de fer La goethite a 6t6 observ6e 5. la fois sur certains micas blancs et sur des micas noirs. Elle forme des enduits continus ou discontinus 5. la surface des micas ou sur leurs bords (Fig. 5(1)) ou bien elle se prbsente sous forme d'aiguilles isol6es ou encore de cristaux m~cl6s 5. six branches (Fig. 2(5)). Ces cristaux m~cl6s peuvent ~tre complexes, particuli6rement abondants et semblent avoir localement cristallis6 5. partir d'amas ovoides plus ou moins nets (Fig. 5(2) et (3)). Ces cristaux et ovoides de goethite sont parfois assembl6s 5. la mani6re de brochettes ou sous forme de sph6res (Fig. 5(4)) analogues 5. celles d6crites par Eswaran et al. (1979). En M E T les cristaux isol6s sont quelquefois dispos6s en r6seau hexagonal (Fig. 5(5), fl6ches). ESSAI D'INTERPRETATION, DISCUSSION Les observations faites montrent que les micas n'ont par au cours de l'alt6ration, darts une roche donn6e, un comportement unique. D'autre part ils ne suivent pas une s6quence semblable 5. celle d6crite par Jackson et al. (1952). (mica . vermiculite -~ intergrade kaolinite) et ne donnent pas d'avantage un assemblage de plusieurs phases min6rales tel que l'a montr6 Meunier (1980). Dans l'aplite encore fraiche, certaines muscovites sont d6j~i alt6r6es en halloysite, tandis que d'autres ont leurs feuillets lisses ou pr6sentent seulement en surface un r6seau losangique, les plagioclases de cette m~me roche ne montrant quasiment aucune trace d'alt6ration. Darts un 6chantillon d'ar6ne de leucogranite, les muscovites et les biotites sont alt6r6es en halloysite. Mais il est possible aussi de rencontrer dans un gisement, des muscovites presque enti6rement transform6es en halloysite alors que dans un autre, elles pr6senteront uniquement une microdivision en plaquettes de kaolinite. A titre de comparaison, une 6tude des biotites mordorbes d'une ar6ne dioritique (de P16venon) a mis en 6vidence le m6me d6veloppement de tubes d'halloysite en bordure des feuillets. FIG. 4. Micrographies au MET mettant en 6vidence le d~veloppement des tubes d'halloysite fi partir de materiel micace. (1) Tubes d'halloysite constituant un arrangement losangique plus ou moins bien conserv6 dans du mat6rial micac+ (6ch. LCP 6, micaschiste alt+r+en aiguilles). (2) id. (bch. LCP 5, micaschiste alt6r6 en poudre). Micrographies au MEB et au MET montrant l'aspect de quelques micas microdivis6s. (3) MEB: microdivision des feuillets d'un mica blanc en plaquettes plus on moins hexagonales de kaolinite (+ch. Le St 6e, leucogranite kaolinis+). (4) MEB: microdivision en plaquettes hexagonales de kaolinite d'un feuillet de mica blanc; la kaolinite est associ~e ~ides cristaux de goethite (~ch. Le St 8, leucogranite kaolinis~). (5) MEB: microdivision en plaquettes irr6guli6res d'un feuillet de biotite (6ch. Gui 6, micaschiste alt6r6 en aiguilles). (6) MET: mica d6coup6 ~i 'l'emporte-pi6ce' suivant un dessin hexagonal qui correspond ~i un mica microdivis6. (6ch. LCP 7, micaschiste alt6r6 en poudre). L'alt~ration de muscovite et de biotite en halloysite .......... j ,ii ........... 61 17 18 J. Estboule-Choux et C. Blanchet L'altbration de muscovite et de biotite en halloysite 19 D'autre part dans le cas de granite enti6rement kaolinis6 les muscovites r6siduelles peuvent sembler relativement moins alt6r6es que dans les ar6nes. C'est ainsi qu'il n'est pas rare de voir des muscovites dont la tranche montre seulement un aspect gauffr6, correspondant fi une ouverture irr6guli6re des feuillets. Les grandes biotites des micaschistes ont un comportement qui semble ind6pendant de l'&at de d6sagr6gation de la roche : certaines sont alt6r6es uniquement en halloysite, d'autres sont enti6rement recouvertes de goethite et enfin certaines montrent fi la fois des tubes d'halloysite et des ovo~des de goethite. L'ensemble de toutes ces observations peut 6tre r6sum6 par le sch6ma suivant: / microdivision~--------+plaquettes de kaolinite ~'~plaquettes de kaolinite + goethite aplaquettes de kaolinite + tubes d'halloysite sur les bords des plaquettes muscovite-""~ bi~ halloysite r6seau losangique j / 3 " fmicr~176 ~ i S la~~u;stittes de ka~ 6seau l o s a n g i q u e / ' ~ ~x.~ :;~lth~St~te + goethite La formation de l'halloysite comme min6ral initial dans la transformation des micas n'a 6t6 signal6e que par Eswaran & Heng (1976)/t partir des biotites, mais,/t notre connaissance, elle n'a jamais 6t6 mise en 6vidence/t partir de muscovite. Eswaran & Heng (1976) Font d6crite dans des produits d'alt~ration de gneiss, form6s sous climat tropical humide. En r6alit6, si nous l'avons rencontr6e dans des alt6rations de type lat~ritique, sa presence dans des ar~nes ou m6me dans des roches/t peine alt6r6es, montre que les conditions climatiques ne sont pas les seuls facteurs entrant en jeu. L'alt6ration se produit de faqon tr6s irr6gulibre et rapide/t l'6chelle du gisement, de l'bchantillon et m6me du feuillet de mica, I1 s'agit, en r6alit~, de micromilieux dont le chimisme serait ~ pr6ciser. Par ailleurs, il FIO. 5. Micrographies au MEB et au MET de differents aspects de la goethite. (1) MEB : pellicule pellicule de goethite se d6bitant en 6toiles fi 6 branches en surface d'un feuillet de biotite (6ch. Sca 2, leucogranite kaolinis6). (2) MEB: goethite en 6toilcs g six branches cristallis6e en surface d'un feuillet de biotite (6ch. Gui 14, micaschiste alt6r6 en aiguilles). (3) MEB: goethite en 6toiles et en ovo]des cristallis6e en surface d'un feuillet de biotite (6ch. Gui 14, micaschiste alt6r6 en aiguilles); les &oiles correspondent fi la vue d'une extr~mit6 des ovo~des. (4) MEB: agrbgats lin6aires de goethite en ~toiles et glom6rules de goethite aciculaire dans une cavit6 laiss6e vide par le d6part d'une inclusion dans une biotite (~ch. Gui 13, micaschiste att~r~ en aiguilles). (5) MET: deux aspects de la goethite: ovo~deset cristaux en lames s'arrangeant parfois en r6seau hexagonal (fl+ches); la goethite est associ+e ~i des tubes d'halloysite dans du mat6rial micac6 (6ch. LCP 5, micaschiste alt+r6 en poudre). (6) MEB : ovo~desde goethite associ~s ~ des tubes d'halloysite en surface d'un feuillet de biotite (6ch. Gui 18, micaschiste alt6r6 en aiguilles). 20 J. EstOoule-Choux et C. Blanchet ne semble pas qu'il y air de r6gle g6n6rale quant ~ l'ordre d'alt6rabilit6 des micas noirs et des micas blanes dans un m6me 6chantillon. La goethite accompagne l'halloysite dans l'alt6ration de certaines biotites. Dans d'autres, elle forme un v6ritable rev&ement rendant impossible toute observation. Dans le cas de la muscovite, la pr6sence d'&oiles de goethite align6es 5~ la surface des feuillets peut ~tre expliqu6e par une migration du fer ~ partir des micas noirs. Enfin cette croissance 6pitaxique de l'halloysite et de la goethite sur les feuillets de micas, le d6veloppement du r6seau losangique qui peut &re consid6r6 comme une premi6re &ape de l'alt6ration, ne sont pas sans rappeler ce qui a d6j~t 6t6 observ6 lors de la transformation de phyllites micac6es terrig6nes dans l a m e r c6nomanienne (Louail & Est6oule-Choux, 1984). Milieu continental et milieu marin se rejoignent, la structure du min6ral originel influenqant fortement l'orientation des produits secondaires (Gilkes & Suddhiprakarn, 1979, 1981). CONCLUSION Comme l'avaient d6j~t 6crit Seddoh & Robert (1972) l'utilisation du MEB permet d'observer et de montrer les relations qui existent entre les micas et les min6raux secondaires qui en sont issus. Les m6canismes de la transformation de la muscovite ou de la biotite en halloysite restent fi d6finir. Cependant il nous semble int6ressant d'avoir mis en 6vidence la formation d'halloysite ~ partir des micas, plus particuli6rement ~ partir de la muscovite, et ceci quelle que soit l'intensit6 de l'alt6ration, puisqu'elle est d6jfi pr6sente d6s les tous premiers stades. L'halloysite serait donc relativement fr6quente dans les produits d'alt6ration de roches vari6es, mais la mise en 6vidence de ce min6ral, &ant donn6 sa faible quantit6, 6chappe aux investigations aux rayons X. Enfin la goethite, qui a 6t6 6videmment observ6e souvent, montre des morphologies tr6s diverses et une r6partition variable: elle cristallise tant6t~ la surface des feuillets de biotites, tant6t en bordure, ou encore dans les espaces interlamellaires. REFERENCES ABDO J. (1982) Etude exp~rimentale de la stabilisation des ar~nes granitiques ~ la chaux. Th6se Doct. Ing., I.N.S.A. de Rennes, 126 pp. BLANCHET C. (1985) Caract&isation des formations superficielles du Sud des Montagnes noires (Massif armoricain). D.E.A. Univ. Rennes I, 45 pp. ESWARANH. • HENGY.Y. (1976)The weathering of biotite in a profileon gneiss in Malaysia. Geoderma 16, 920. ESWARANH., COMERMAJ. & SOORYANARAYANANV. (198I) Scanning electron microscopicobservations on the nature and distribution of iron minerals in plinthite and petroplinthite. Proc. Int. Sem. on Lateritisation Processes, India, 335-346. A. A. Balkema, Rotterdam. GILKESR.J. & SUDDHIPRAKARNA. (1979) Biotite alteration in deeply weathereO gramte. 1. Morphological, mineralogical and chemical properties. Clays Clay Miner. 27, 3.49-360. II. The oriented growth of secondary minerals. Clays Clay Miner. 27, 361-367. G/LKESR.J. & SUDDHIPRAKARNA. (1981) Mineralogicaland chemical aspects of lateritisation in Southwestern Australia. Proc. Int. Sere. on Lateritisation Processes, India, 34 44. A. A. Balkema, Rotterdam. JACKSONM.L., HSEUN6V., CORErR.B., EVANSE.J. & VANDENHEUVELR.C. (1952) Weathering sequenceof clay size minerals in soils and sediments. Proc. Soil. Sci. Soc. Am. 16, 3-6. LOUAIL J. & ESTEOULE-CHouxJ. (1984) Croissance bpitaxique autochtone de smectites en lattes dans l'argilogen6se et la glauconitisation dans un bassin terrig6ne. Le cas des d6p6ts c6nomaniens p6riarmoricains. C.R. Acad. Sci. Paris 299, II, 3, 109-114. MEUNIERA. (1980) Les m6canismesde l'altbration des granites et le r61e des microsyst6mes.Etude des ar6nes du massif granitique de Parthenay (Deux-S6vres). M~m. Soc. G~ol. Ft. 140, 80 pp. NICOLASJ. (1958) Sur la gen6se des kaolins de Guiscriff (Finist6re). Clay Miner. Bull. 3, 244 248. SEDDOHF.K. & ROBERTM. (1972) Int6r~t de l'utilisation du microscope 61ectronique~ibalayage pour l'6tude des micas et de leur 6volution (6volutionexp6rimentale et dans le milieu naturel). Bull. Soc.fr. Min&aL Cristallogr. 95, 75-83.