ROLE DE L*EAU DANS LA PRODUCTION DU MÉTAMORPHISME

§ 5. — RÔLE DE i/eAU DAMS LA PRODUCTION DU MÉTAMORPHISME.

Il est un corps qui n'a pas tout d'abord fixé rattention, parce que sous l'empire des idées anciennes il semblait tout à fait inerte, surtout en présence des minéraux tels que le grenat ou le feldspath, dont il s'agit d'expliquer la formation, mais auquel pourtant le premier rôle paraît être dévolu dans les phénomènes métamorphiques, aussi bien que dans les éruptions des volcans : ce corps c'est l'eau.

L'eau abonde non seulement à la surface du globe, qu'elle couvre sur plus des trois quarts de sa superficie, mais aussi dans son écorce solide. D'abord, elle y circule de toutes parts, comme nous l'avons reconnu en étudiant le régime général des sources et des nappes souterraines. De plus, elle entre dans la constitution même de roches très répandues, telles que les argiles, c'est-à-dire qu'elle y est combinée chimiquement. Enfin les roches les plus compactes en retiennent entre leurs pores par l'action de la capillarité, comme l'atteste le mode de coloration artificielle des agates: c'est ce que l'on a appelé l'eau de carrière.

D'un autre côté, ce qui a élé exposé précédemment, sur la formation des silicates hydratés ou zéolithes dans l'intérieur des bétons romains, n'intéresse pas seulement la formation de ces minéraux. Nous apprenons en effet par là comment l'eau, sans être à une température très élevée, peut faire naître des silicates bien définis et cristallisés, dans le tissu même de masses en apparence aussi réfractairesà son action que l'est la brique. Ces résultats positifs de l'expérience servent d'introduction lumineuse à la théorie du métamorphisme, dont ils reproduisent le fait le plus caractéristique.

274 OBSERVATIONS TIIÉOniQlES.

Dans ces maçonneries romaines, il est vrai, il ne s'est formé que des silicates hydratés, tandis que dans les roches métamorphiques on rencontre très fréquemment des silicates anhydres, wernérite, grenat, pyroxéne, albite, mica. Mais on pouvait croire que si une température d'environ 60 degrés suffisait à ces premières réactions, une chaleur plus considérable amènerait des résultats plus voisins de ceux que nous montre de toutes parts la nature, et qu'alors Teau pourrait engendrer des silicates anhydres.

D'ailleurs l'association fréquente des zéolithes à certains silicates anhydres, tels que Tépidole, dans les cavités des roches amygdaloïdes ou dans les gîtes cuprifères du lac Supérieur, devait faire supposer que les uns et les autres ne différaient pas dans leur mode de formation, d'une manière profondément tranchée.

Les expériences suivantes dans l'eau suréchauffée qui ont été provoquées par ces inductions les ont pleinement confirmées.

g 6. — EXPÉRIENCES SUR L*AGTIOiM EXERCÉE PAR l'eAU SURÉCHAUFFÉE

DAKS LA FORMATION DES SILICATES.

Nous venons de voir comment on peut, à bon droit, soupçonner le concours de la chaleur, de Teau et de la pression comme capables de produire les principaux phénomènes du métamorphisme. Il ne restait qu'à se placer dans des conditions aussi voisines que possible de celles dans lesquelles la nature paraît avoir agi, et à examiner si l'on obtiendrait la reproduction des minéraux caractéristiques.

Tel est le but d'une série d'expériences que j'ai entreprises et dont je vais rendre compte.

Procédé d'expérimeatacioii. — En Comptant même pour rien les dangers d'explosion qui sont souvent d'une violence tout à fait surprenante, les difficultés d'expérimentation m'ont empêché de multiplier ces résultats comme il eût été désirable ; cependant, les faits déjà reconnus sont concluants et montrent la fécondité de cette voie d'expérimentation.

La difficulté principale consiste à trouver des parois et des fermetures qui résistent assez longtemps à l'énorme tension acquise par la vapeur d'eau, quand la température s'élève vers le rouge sombre*. L'eau et les matières qui doivent réagir sont placées dans un tube en verre que Ton scelle ensuite. On introduit ce tube en verre dans un tube en fer, à parois très épaisses, qui est clos à la forge à l'une de ses extrémités (fig. 125). L'autre extrémité est souvent fermée

Kig. If3. — Tube en fer, employé aux expériences dans l'eau surchaurrée. Section longitudinale montrant le bouchon à vis.V, au moyen duquel la fermelure hermétique est obtenue. C, Rondelle de cuivre. — Échelle de |.

au moyen d'uu long bouchon à vis, muni d'une tête carrée qu'on peut serrer fortement en la tournant avec une clef. Entre la tête de la vis, qui doit être exécutée avec beaucoup de précision, et le rebord du tube, est placée une rondelle en cuivre bien pur ; elle est assez mince pour s'écraser, lors de la fermeture, par la pression du rebord, et s'incruster dans des rainures pratiquées à cet effet. Cependant, pour fermer la seconde extrémité, j'ai adopté plus tard, de préférence, un autre procédé : j'y rapportais à la forge un fort bouchon de fer F (fig. 124), qui arrive à faire corps avec le canon, si la soudure a été habilement opérée. Il faut, pour

' 11 parait hors de propos d'expliquer quels procédés J'ai tentés pour obtenir des fer* melures autoclaves : je me borne à indiquer les fermetures hermétiques qui ont enlin réussi.

réussir, un ouvrier très adroit; car il est essentiel que la plus grande partie du canon reste froide, afin que Teau intérieure, en se Taporisant, ne contrarie pas Topération.

^\^^mmx-\\\>^>^

Fig. 124. — Autre mode de fermeUire du tube de fer, obtenue par nn bouchon uni et cylindrique F, soudé à la foi^ge. — Échelle de J.

Pour contre-balancer, dans l'intérieur du tube de verre, la tension de la vapeur, qui pourrait le faire éclater, on verse de l'eau extérieurement à ce tube, entre ses parois et

Fig. 125. - Résultat de l'explosion d'un tube à vis. — AA'. Ampoule. — D. Déchirure.

Échelle de J.

celles du tube de fer qui lui sert d'enveloppe. De celte manière, l'effort principal est reporté sur ce dernier tube, qui présente beaucoup plus de résistance.

Ces appareils étaient couchés sur le dôme ou sur les car- •

*ig. 126. — Résultats de l'explosion d'un tube fermé à la forge.— AA'. Ampoule.— D. Déchirure.

Échelle de i.

neaux d'un four a cornues d'usine à gaz, en contact avec une maçonnerie aurouge sombre, et enfouis sous unecouche épaisse de sable.

Des tubes d'un diamèlre intérieur de 21 millimètres et d'une épaisseur de 11 millimètres, fabriqués avec du fer d'excellente qualité, font quel-

FORMATION EXPÉRI1IE>TALE DES SILICATES DANS L'EAU SURÉCHAUFFÉE. 317

quefois explosion ; ils se déchirent suivant une de leurs gënératriceB en D ((if. 125 et 126j, et soni alors projetés en l'air avec un bruit compa-

rable à celui d'un coup de canon. Si le fer n'avait point de défaut, et que l'on estimât qu*il conserve vers 400* la même ténacité qu'A froid,

'eiu «uréchiiifféB. — Te. T de cuivra Irèi rtùaUnl. — Bc. Boucbon de cuirre fermiot * ili. — F. Brida de fer, — T. Vil de preuion. — Échelle de J.

fig. 119 — Coupe longitudiailede Tippirel même signlOolioii deilellres que danii figure pricMenle,

de telles déchirures supposeraient une pression intérieure de plus de 1000 atmosphères.

Il est à remarquer qu'avant d'éclater. le tube se bombe sous forme d'une ampoule A, de 5 à 6 centimètres de longueur (fig. 125, 126 et 127), et c'est au milieu de cette ampoule que s'ouvre la boutonnière D (Og. 125

et 126), de façon à rappeler tout à Taii le relier de la gibbosilé de l'Etna, avec récliancrure centrale du Val del Bove, dont l'origine a été attribuée par de Bucli et Elie de Ucaiimont à une force eipansive du même genre. Un thermomètre â mercure, plongé dans le sable ù proximité des tubes, y atteint rapidement sa limite; des Tragmenls anguleux de zinc s'y ramollissent; la température à laquelle les tubes restent exposés pendant plusieurs semaines est donc au moins de 400 degrés. On les relire graduellement alin de les refroidir avec beaucoup de lenteur.

Un tube en cuivre rouge (fig.iSS, 129, 150 et 131), avec un couvercle à vis également en cuivre rouge, que maintient

WBpi

solidement une bride en fer F, munie de vis, a été construit pour continuer les expériences ; il n'a pas encore été utilisé.

Prlnelpanx résnllato dea cxpéiicneea — A UUe ICmpératurC

qui est au-dessous du rouge naissant, l'eau réagit très énergiquement sur certains silicates.

Transformation du verre en un silicate hydraté, aree production de quartz cristallisé. — Le verre ordinaire donne, au bout de quelques jours, deux et souvent trois produits distincts :

V Une masse blanche tout à fait opaque qui résulte d'une transformation complète : elle est poreuse, happant à la langue et aurait l'aspect du kaolin, si elle ne présentait une structure fibreuse très prononcée.

La simple comparaison des épaisseurs d'un tube de verre, avant et après sa décomposition, annonce que, dans celle dernière action, la substance s'est considérahlement gonflée. C'est ce que conUrme l'examen des densités. Réduit en pou-

FOBMiTION EKPÉRHIENTALE DES SILICATES DANS L'EAU SURÉCHAUFFÉE. 27n

(Ire fine, le verre, modifié, a en effet, une densité de 2,49, c'est-à-dire très voisine de celle du verre ordinaire; mais les fragments de la même substance, pris avec leur volume apparent, ont seulement une densité de 1,89. La substance

Fis. 1^. — RiIiulUts d

il formé im>^ '^mi

est donc devenue poreuse et son volume apparent surpasse son volume réel environ du tiers de ce dernier.

Tantôt le tube, en se gontlani, a conservé sa forme générale; tantôt il s'est séparé en fragments fortement infléchis ; tantôt il s'est couvert d'ampnules (fig. 102); tantôt il présente des excoriations a sa surface; tantôt il s'est gauchi et

Fig. 133. -Ré^ulUldc

gercé (fig. 153); tantôl enfin, il s'est tout à fait désagrégé et réduit en une poussière blanchâtre.

D'un autre côté, dans sa transformation, le verre a généralement acquis une structure éminemment schisteuse

(fig. 136). Les feuillets dans lesquels il se clive facilement sont de forme cylindroïdc, comme le tube lui-même, et enroulés concentriqucmcnt (fig. 134); ils sont si minces qu'on peut quelquefois en distinguer plus de dix dans un millimètre d'épaisseur {fig. 135). Quand le verre est incom-

plètement attaqué, te centre, quoique vitreux encore, montre aussi des zones très fines, comme les agates caji (fig. 136). Le tout rappelle la structure de certaines roches schisteuses et cristallines.

En tous cas, la modification du verre, dont il est ici ques-

Tig, ISS. — Réiullil de l'iclion de l'Mu lurécbiuRéc Eur un toba ds «erre qui l'ai ditlit «i

feullIeU conccnlriquoï c,e'.e",e"', donl le> plus minces &'■ » Mat cnrould* i 11 rnioi*™ d'une feuille de papier, - Grandeur naturelle.

lion est complètement différente de la dévitrification qui a été étudiée par Rèaumur et, et plus tard, par Dumas et par Pelouze '.

Le verre modifié dont nous nous occupons est facilement

Complet rendu* de t Académie dei tcience; IBâS, I. LX, p. 1321 et 1327.

FORMATION EXPÉRIMENTALE DES SILICATES DANS LTAU SURÉCHAUFFÉE. 281

fusible ; il fond en bouillonnant, à la manière des zéolithes : car il s'est hydraté. Il est attaqué par les acides, même à froid. Sa composition a été trouvée, comme il suit, après un lavage à l'eau bouillante qui en a séparé des parties solubles, une dessiccation à 100 degrés, et déduction faite d*un résidu inattaquable, dont il sera question plus loin :

Silice 64,5

Chaux 21,9

Magnésie 1,2

Soude 6,5

Alumine 1,4

Eau 4,2

La composition du verre primitif a été trouvée ;

Silice 68,4

Chaux 12,0

Magnésie 0,5

Soude 14,7

Alumine 4,9

Pour mieux comparer la composition de ces deux silicates, on peut en rapporter les éléments à la même quantité de chaux :

Verre ordinaire. Verre décomposé.

Chaux 100,0 100,0

Silice 525,0 294,0

Soude 345,0 122,0

Magnésie. ... 2,4 2,7

Alumine. . . . 40,0 6,1

Eau » 195,0

En rapprochant ces deux séries de chiffres, on voit que le verre a perdu environ moitié de la silice et un tiers de l'alcali, et que le nouveau silicate a fixé de Teau. La quantité d'eau indiquée par l'analyse des échantillons est sans doute inférieure à celle qui avait été fixée d'abord; car le tube de fer ayant été, par accident, mis à sec, la substance a été soumise, sous la simple pression atmosphérique, à une assez forte chaleur pour se déshydrater en partie. Quant à l'alumine, elle ne reste pas fixée, comme il arrive dans la décomposition ordinaire des silicates en présence des agents atmosphériques, d'après les belles recherches d'Ebelmen. A la faveur de l'alcali, l'alumine est en partie entraînée à l'état de dissolution, avec la silice.

Le silicate résultant de la transformation du verre a de l'analogie avec la pectolite, qui se présente aussi en cristaux ou en masses fibreuses.

Ainsi, l'eau pure et convenablement suréchauffée transforme un silicate anhydre, tel que le verre, en un silicate hydraté, de nature zéolithique.

Le verre transformé présente plusieurs variétés d'aspect, qui résultent non seulement des différences originelles des tubes, mais encore de la nature de la substance qui a été ajoutée à l'eau suréchaufféc dans chaque expérience, ainsi que du temps plus ou moins long, pendant lequel l'action chimique a duré. On peut y distinguer au moins une variété friable, ressemblant à du kaolin, et une variété dure, beaucoup plus cohérente.

Dans la variété friable, la structure en couches concentriques adhérentes et la structure fibreuse se manifestent simultanément; on le constate à l'œil nu, ainsi qu'au microscope.

De plus, la paroi interne en est parfois revêtue d'une croûte transparente, hyaline, incolore, rayant le verre,

infusible et agissant très vivement sur la lumière polarisée; c'est un dépôt de quartz cristallisé que Ton reconnaît très bien à l'œil nu (fig. 136) ; il est représenté également sur la coupe microscopique (lig. 146).

Le verre transformé, de la variété dure, présente des couches concentriques de nuances variées rappelant certaines agates-onyx (fig. 137). De même que dans le cas précédent, i) s'y est développé des fibres normales aux surfaces.

2** Dans la décomposition du verre, dont le résidu fixe vient d'être décrit, du silicate alcalin s'est diesous en entraî-

Figr. 156. — Résultat de l'action de l'eau sur- Fi<^. 137. — Résultat de l'action de l'eau sur- «^chaurfée sur un tube de verre, A la surface échaufréesur un tube «ie verre, dans la cassure intérieure duquel il s'est appliqué une in- transversale duquel se montrent plusieurs crustalion q de quartz cristallisé. — Grau- couches minces et concentriques c,c',c",c"'t deur naturelle. reconnaissables à leur dirrérence de couleur.

La texture flbrcusc y est parraitement reconnaissable à l'œil nu. — Grandeur naturelle.

nant de l'alumine. Dans une expérience, la partie soluble a donné sur 100 parties : silice 37, soude 63.

L'égalité entre les quantités d'oxygène de la silice et de Talcali conduit à )a formule NaO.SiO* ou Na Si. On voit que ce composé est beaucoup plus basique que le silicate NaSi\ qui, d'après les recherches de Pelouze, se dissout à froid. La différence, peut-être, vient de ce que le silicate alcalin, d'abord enlevé au verre, se décompose par une action de la chaleur comparable à celle que M. Fremy a constatée * ; le quartz cristallisé paraît, en effet, résulter d'une décom-

« Comptes rendui de r Académie, 1836, t. XLU[, p. 1140.

281 OBSERVATIONS THÉORIQUBS.

posilion de ce genre, qui se fait peut-être à une température assez voisine de celle de la dissolution.

3' Il se développe le plus souvent d'innombrables cristaux incolores, d'une limpidité parfaite, qui ofl'rent la forme ordinaire bipyramidée du quartz et qui, en effet, ne sont

Fl(. ISS. — Criilal de quirli ablenu diui 11 d^compoiitiiin du Terre pir Tctu «uTéebtnRée; s du rbamboédce primltirp wnl beiuconp plui dèveloppAci que celle* dB rbomboèdic

legOdittntUM.

autres que de la silice cristallisée. Certains cristaux ainsi formés atteignent 2 millimètres au bout d'un mois.

Les faces d'un des deux rhombeèdres prédominent ordinairement beaucoup, commeTindiquentlestigures 158, 139,

Itnt la dt^compoillioD cuiitidértblemeal; de ; e ttries appiitenint 1

140 et i4l ; c'est ce qui se voit aussi dans la nature, par exemple, sur les améthystes du Brésil : sur certains individus, on voit même les seules faces de ce rhomboèdre. De même que dans les cristaux naturels, le prisme est cannelé par des facettes, perpendiculairement à la hauteur.

FORHATION EXPÉRIMENTALE DES SILICATES DA>S L'EAU SUK£CHADFP£E. 385

Voici les angles de ce quartz artiliciel, donnés par les mesures que H. Hautefeuille a bien voulu en prendre :

Quartz arlifieiet :

c' sur e', . 120 environ

p sure'. . 141°.4I à 14r,55

p sur p.. . 94*,55'à 94°, 15

Quarli, tapri* M. Det Clohe