Contrasting magma types and timing of intrusion in the Permian layered mafic complex of Mont Collon (Western Alps, Valais, Switzerland): evidence from U/Pb zircon and 40Ar/39Ar amphibole dating

We have selected and dated three contrasting rock-types representative of the magmatic activity within the Permian layered mafic complex of Mont Collon, Austroalpine Dent Blanche nappe, Western Alps. A pegmatitic gabbro associated to the main cumulus sequence yields a concordant U/Pb zircon age of 284.2 +/- 0.6 Ma, whereas a pegmatitic granite dike crosscutting the latter yields a concordant age of 282.9 +/- 0.6 Ma. A Fe-Ti-rich ultrabasic lamprophyre, crosscutting all other lithologies of the complex, yields an 40Ar/39Ar plateau age of 260.2 +/- 0.7 Ma on a kaersutite concentrate. All ages are interpreted as magmatic. Sub-contemporaneous felsic dikes within the Mont Collon complex are ascribed to anatectic back-veining from the country-rock, related to the emplacement of the main gabbroic body in the continental crust, which is in accordance with new isotopic data. The lamprophyres have isotopic compositions typical of a depleted mantle, in contrast to those of the cumulate gabbros, close to values of the Bulk Silicate Earth. This indicates either contrasting sources for the two magma pulses - the subcontinental lithospheric mantle for the gabbros and the underlying asthenosphere for the lamprophyres - or a single depleted lithospheric source with variable degrees of crustal contamination of the gabbroic melts during their emplacement in the continental crust. The Mont Collon complex belongs to a series of Early Permian mafic massifs, which emplaced in a short time span about 285-280 Ma ago, in a limited sector of the post-Variscan continental crust now corresponding to the Austroalpine/ Southern Alpine domains and Corsica. This magmatic activity was controlled in space and time by crustal-scale transtensional shear zones.

Minimum requirements for application of ink dating methods based on solvent analysis in casework

Several ink dating methods based on solvents analysis using gas chromatography/mass spectrometry (GC/MS) were proposed in the last decades. These methods follow the drying of solvents from ballpoint pen inks on paper and seem very promising. However, several questions arose over the last few years among questioned documents examiners regarding the transparency and reproducibility of the proposed techniques. These questions should be carefully studied for accurate and ethical application of this methodology in casework. Inspired by a real investigation involving ink dating, the present paper discusses this particular issue throughout four main topics: aging processes, dating methods, validation procedures and data interpretation. This work presents a wide picture of the ink dating field, warns about potential shortcomings and also proposes some solutions to avoid reporting errors in court.

1st radiometric dating of a paleontologically dated Bathonian level from Georgia (USSR) - Use of the cathodoluminescence for selection of suitable plagioclases

Jurassic volcanic formations interlayered with (ammonite-bearing) sediments are common in the Caucasus area; this situation is of interest for the numerical calibration of the poorly documented Jurassic portion of the time scale. However, following petrographic study on thin sections no whole-rocks can be considered reliable geochronometers due to subsequent alteration; from about 20 samples, two were selected for plagioclase dating; one (V134) is probably early Kimmeridgian in age; the other (V136) is probably located in the Lower Bathonian stage according to diagnostic ammonites. Cathodoluminescence (CTL) study has shown that sample V136 was similar to usual volcanic feldspars (blue to green colour); however, the lack of CTL of the V134 plagioclase is a character common to diagenetic feldspars; consequently, in spite of a good optical preservation, this geo-chronometer cannot give an age representative of the time of emplacement of the lava flow. We have combined CTL observation with microprobe analysis in order to document the poorly known CTL behaviour of volcanic feldspars; cations Ti4+ and Fe2+ play a major role in the CTL colour of plagioclases and are able to document the growing history of these feldspars ; phenocrysts are initially rich in Fe2+ (core of the crystals, green in colour), then richer in Ti toward the exterior; microcrysts are even richer in Ti (blue to bright blue). We have also observed that natural CTL colour was modified resulting from acid ``cleaning'' of the separated feldspars : the initial blue or green colour tends to change to yellow or violet, respectively, after acid treatment probably due to oxydation of Fe2+ toward Fe3+. X-ray and microprobe analyses both indicated that plagioclases from sample V134 was near the sodic end member (albite) suggesting a diagenetic origin in this andesitic basalt; In contrast, sample V136 contains a calcic plagioclase of common composition for a doleritic basalt. The K-Ar conventional technique was applied as a preliminary tool for radiometric analysis. The Kimmeridgian Na-plagioclase sample gave a ``rejuvenated'' (85 Ma) apparent age which confirms a late genesis for the separated plagioclase phase; this interpretation is based on CTL observation, X-ray analysis, and microprobe analysis ; these techniques are able to distinguish samples which have been submitted to diagenetic alteration from those which have not. An age consistent with the stratigraphic location has been obtained from sample V136. This age of 161 +/- 3 (2-sigma) Ma, is the first one available from a sample palaeontologically located with reasonable precision within the mid Jurassic time.

Open to closed system transition traced through the TDIC isotopic signature at the aquifer recharge stage, implications for groundwater 14C dating

14C dating models are limited when considering recent groundwater for which the carbon isotopic signature of the total dissolved inorganic carbon (TDIC) is mainly acquired in the unsaturated zone. Reducing the uncertainties of dating thus implies a better identification of the processes controlling the carbon isotopic composition of the TDIC during groundwater recharge. Geochemical interactions between gas, water and carbonates in the unsaturated zone were investigated for two aquifers (the carbonate-free Fontainebleau sands and carbonate-bearing Astian sands, France) in order to identify the respective roles of CO2 and carbonates on the carbon isotopic signatures of the TDIC; this analysis is usually approached using open or closed system terms. Under fully open system conditions, the seasonality of the 13C values in the soil CO2 can lead to important uncertainties regarding the so-called "initial 14C activity" used in 14C correction models. In a carbonate-bearing unsaturated zone such as in the Astian aquifer, we show that an approach based on fully open or closed system conditions is not appropriate. Although the chemical saturation between water and calcite occurs rapidly within the first metre of the unsaturated zone, the carbon isotopic contents (δ13C) of the CO2 and the TDIC evolve downward, impacted by the dissolution-precipitation of the carbonates. In this study, we propose a numerical approach to describe this evolution. The δ13C and the A 14C (radiocarbon activity) of the TDIC at the base of the carbonate-hearing unsaturated zone depends on (i) the δ13C and the A 14C of the TDIC in the soil determined by the soil CO2, (ii) the water's residence time in the unsaturated zone and (iii) the carbonate precipitation-dissolution fluxes. In this type of situation, the carbonate δ13C-A 14C evolutions indicate the presence of secondary calcite and permit the calculation of its accretion flux, equal to ~ 4.5 ± 0.5 x 10-9 mol grock-1 yr-1. More generally, for other sites under temperate climate and with similar properties to the Astian sands site, this approach allows for a reliable determination of the carbon isotopic composition at the base of the unsaturated zone as the indispensable "input function" data of the carbon cycle into the aquifer.

Application of K-feldspar-jadeite-quartz barometry to eclogite facies metagranites and metapelites in the Sesia Lanzo Zone (Western Alps, Italy)

The eclogite facies assemblage K-feldspar-jadeite-quartz in metagranites and metapelites from the Sesia-Lanzo Zone (Western Alps, Italy) records the equilibration pressure by dilution of the reaction jadeite + quartz = albite. The metapelites show partial transformation from a pre-Alpine assemblage of garnet (Alm(63)Prp(26)Grs(10))-K-feldspar-plagioclase-biotite +/- sillimanite to the Eo-Alpine high-pressure assemblage garnet (Alm(50)Prp(14)Grs(35))-jadeite (Jd(80-97)Di(0-4)Hd(0-8)Acm(0-7))=zoisite-phengite. Plagioclase is replaced by jadeite-zoisite-kyanite-K-feldspar-quartz and biotite is replaced by garnet-phengite or omphacite-kyanite-phengite. Equilibrium was attained only in local domains in the metapelites and therefore the K-feldspar-jadeite-quartz (KJQ) barometer was applied only to the plagioclase pseudomorphs and K-feldspar domains. The albite content of K-feldspar ranges from 4 to 11 mol% in less equilibrated assemblages from Val Savenca and from 4 to 7 mol% in the partially equilibrated samples from Monte Mucrone and the equilibrated samples from Montestrutto and Tavagnasco. Thermodynamic calculations on the stability of the assemblage K-feldspar-jadeite-quartz using available mixing data for K-feldspar and pyroxene indicate pressures of 15-21 kbar (+/- 1.6-1.9 kbar) at 550 +/- 50 degrees C. This barometer yields direct pressure estimates in high-pressure rocks where pressures are seldom otherwise fixed, although it is sensitive to analytical precision and the choice of thermodynamic mixing model for K-feldspar. Moreover, the KJQ barometer is independent of the ratio P-H2O/P-T. The inferred limiting a(H2O) for the assemblage jadeite-kyanite in the metapelites from Val Savenca is low and varies from 0.2 to 0.6.

Formation of aluminosilicate-bearing quartz veins in the Simano nappe (Central Alps): structural, thermobarometric and oxygen isotope constraints

We combined structural analysis, thermobarometry and oxygen isotope geochemistry to constrain the evolution of kyanite and/or andalusite-bearing quartz veins from the amphibolite facies metapelites of the Simano nappe, in the Central Alps of Switzerland. The Simano nappe records a complex polyphase tectonic evolution associated with nappe stacking during Tertiary Alpine collision (D1). The second regional deformation phase (132) is responsible for the main penetrative schistosity and mineral lineation, and formed during top-to-the-north thrusting. During the next stage of deformation (D3) the aluminosilicate-bearing veins formed by crystallization in tension gashes, in tectonic shadows of boudins, as well as along shear bands associated with top-to-the-north shearing. D2 and D3 are coeval with the Early Miocene metamorphic peak, characterised by kyanite + staurolite + garnet + biotite assemblages in metapelites. The peak pressure (P) and temperature (T) conditions recorded are constrained by multiple-equilibrium thermobarometry at 630 +/- 20 degrees C and 8.5 +/- 1 kbar (similar to 27 km depth), which is in agreement with oxygen isotope thermometry indicating isotopic equilibration of quartz-kyanite pairs at 670 +/- 50 degrees C. Quartz-kyanite pairs from the aluminosilicate-bearing quartz veins yield equilibration temperatures of 645 +/- 20 degrees C, confirming that the veins formed under conditions near metamorphic peak. Quartz and kyanite from veins and the surrounding metapelites have comparable isotopic compositions. Local intergranular diffusion in the border of the veins controls the mass-transfer and the growth of the product assemblage, inducing local mobilization of SiO2 and Al2O3. Andalusite is absent from the host rocks, but it is common in quartz veins, where it often pseudomorphs kyanite. For andalusite to be stable at T-max, the pressure in the veins must have been substantially lower than lithostatic. An alternative explanation consistent with structural observations would be inheritance by andalusite of the kyanite isotopic signature during polymorphic transformation after the metamorphic peak.

High-precision U-Pb and 40Ar/39Ar dating of an Alpine ophiolite (Gets nappe, French Alps)

Coarse-grained gabbros from two different localities in the Gets nappe (Upper Prealps) have been dated by U-Pb and Ar-40/Ar-39 isotopic analyses. Zircons from both gabbros gave identical concordant U-Pb ages of 166 +/- 1 Ma (Fig. 4). Amphibole from one of them gave an Ar-40/Ar-39 plateau age of 165.9 +/- 2.2 Ma (Fig. 5). This concordance implies that 166 +/- 1 Ma is the age of magmatic crystallization of these gabbros. The Gets wildflysch with its mafic and ultramafic lenses is an ophiolitic melange, that we infer to come from a proximal part of the accretionary prism at the foot of the active SE margin of the Piemont ocean. In this position we can expect to find remnants of the oldest parts of the Piemont oceanic crust. These are the first high-precision dates using modern techniques from an Alpine ophiolite and are in excellent agreement with the following: 1) The few, somewhat younger, reliable ages on ophiolites from the probable continuation of the Piemont basin into the Apennines and Corsica; 2) Recent data on the age of the first supra-ophiolitic sediments (Late Bathonian to Early Callovian radiolarites); 3) The structural and stratigraphic evolution of the Brianconnais (s.s.) domain, the future NW margin of the Piemont ocean. We note a remarkable coincidence, in Late Bajocian time, between: (A) the end of tensile fracturing in the Brianconnais continental crust; (B) the beginning of its subsidence; (C) the age of the Gets ophiolites. This coincidence is consistent with an ocean opening mechanism based on a combination of subhorizontal extension and thermally driven vertical movements of the lithosphere.

Dating human skeletal remains using a radiometric method: Biogenic versus diagenetic (90)Sr and (210)Pb in vertebrae.

In forensic science, there is a strong interest in determining the post-mortem interval (PMI) of human skeletal remains up to 50 years after death. Currently, there are no reliable methods to resolve PMI, the determination of which relies almost exclusively on the experience of the investigating expert. Here we measured (90)Sr and (210)Pb ((210)Po) incorporated into bones through a biogenic process as indicators of the time elapsed since death. We hypothesised that the activity of radionuclides incorporated into trabecular bone will more accurately match the activity in the environment and the food chain at the time of death than the activity in cortical bone because of a higher remodelling rate. We found that determining (90)Sr can yield reliable PMI estimates as long as a calibration curve exists for (90)Sr covering the studied area and the last 50 years. We also found that adding the activity of (210)Po, a proxy for naturally occurring (210)Pb incorporated through ingestion, to the (90)Sr dating increases the reliability of the PMI value. Our results also show that trabecular bone is subject to both (90)Sr and (210)Po diagenesis. Accordingly, we used a solubility profile method to determine the biogenic radionuclide only, and we are proposing a new method of bone decontamination to be used prior to (90)Sr and (210)Pb dating.

Lifetime of an ocean island volcano feeder zone: constraints from U-Pb dating on coexisting zircon and baddeleyite, and 40Ar/39Ar age determinations, Fuerteventura, Canary Islands

High-precision isotope dilution - thermal ionization mass spectrometry (ID-TIMS) U-Pb zircon and baddeleyite ages from the PX1 vertically layered mafic intrusion Fuerteventura, Canary Islands, indicate initiation of magma crystallization at 22.10 +/- 0.07 Ma. The magmatic activity lasted a minimum of 0.52 Ma. Ar-40/Ar-39 amphibole dating yielded ages from 21.9 +/- 0.6 to 21.8 +/- 0.3, identical within errors to the U-Pb ages, despite the expected 1% theoretical bias between Ar-40/Ar-39 and U-Pb dates. This overlap could result from (i) rapid cooling of the intrusion (i. e., less than the 0.3 to 0.6 Ma 40Ar/39Ar age uncertainties) from closure temperatures (T-c) of zircon (699-988 degrees C) to amphibole (500-600 degrees C); (ii) lead loss affecting the youngest zircons; or (iii) excess argon shifting the plateau ages towards older values. The combination of the Ar-40/Ar-39 and U/Pb datasets implies that the maximum amount of time PX1 intrusion took to cool below amphibole T-c is 0.8 Ma, suggesting PX1 lifetime of 520 000 to 800 000 Ma. Age disparities among coexisting baddeleyite and zircon (22.10 +/- 0.07/0.08/0.15 Ma and 21.58 +/- 0.15/0.16/0.31 Ma) in a gabbro sample from the pluton margin suggest complex genetic relationships between phases. Baddeleyite is found preserved in plagioclase cores and crystallized early from low silica activity magma. Zircon crystallized later in a higher silica activity environment and is found in secondary scapolite and is found close to calcite veins, in secondary scapolite that recrystallised from plagioclase. close to calcite veins. Oxygen isotope delta O-18 values of altered plagioclase are high (+7.7), indicating interaction with fluids derived from host-rock carbonatites. The coexistence of baddeleyite and zircon is ascribed to interaction of the PX1 gabbro with CO2-rich carbonatite-derived fluids released during contact metamorphism.

Documents : Dating a document

The determination of the age of a document is a very frequent query, however it is also one of the most challenging and controversial areas of questioned document examination. Several approaches were defined to address this problem. The first is based on the introduction date of raw constituents (like paper or ink) on the market. The second approach is based on the aging of documents, which is unfortunately not only influenced by passing time, but also by storage conditions and document composition. The third approach considers the relative age of documents and aims at reconstructing their chronology. The three approaches are equally complex to develop and encounter quantity of problems which are not negligible. This article aims to expose the potential applications and limitations of current ink dating methods. Method development and validation and the interpretation of evidence prove to be essential criteria for the dating of documents.

Elemental and isotopic zoning in natural alpine quartz

THESIS ABSTRACT : Stable isotope geochemistry is used to help resolve a large number of geological questions. In order to do this, it is essential to understand the different mechanisms that govern isotopic fractionation processes between different phases and to identify the conditions required to reach equilibrium fractionation. However, at low temperatures, these processes are poorly constrained and many factors can induce differential partitioning of the isotopes between sectors of a mineral species and the fluid during mineral growth. This can result in so-called 'sector zoning' of a mineral species. The aim of this thesis is to evaluate the occurrence of sector zoning of the oxygen isotopes and trace elements in natural α-quartz crystals and to identify the reasons for such zoning. The implications for the fluid-mineral interactions are studied in the context of the Alpine metamorphism. The approach chosen has focused on examining the crystal structure, cathodoluminescence appearance (CL), and on relating elemental (e.g. Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti, Fe) to stable oxygen isotope compositions between and along different growth sectors. Low temperature quartz samples were selected from Alpine veins in different localities, where growth conditions have already been well constrained. The mineralogy as well as the isotopic compositions of the host rocks were also investigated, in order to interpret the variations obtained between the different growth stages in the framework of fluid-rock interaction during Alpine metamorphism. Depending on the growth conditions, most of the studied quartz is strongly zoned in CL, and it reveals corresponding zonations in the trace element content (e.g. growth zoning). Aluminium, substituting for Si in the lattice, was found in concentrations up to 1000's ppma, and its distribution is strongly related to Li and H and to a lesser extent, to Ge. Elemental sector zoning is evident from the distribution of these three elements since they exhibit differences in their respective concentrations between faces for distinct growth zones, with prismatic faces having the lowest Al contents. Quartz from veins in magmatic rocks, for example, tend to have lower Al concentrations and similar concentrations of Li and Ti suggesting also a contribution of these elements from the host rock. The relationship between Al and Li is still correlated. Only Alpine crystals grown at higher temperatures (~400°C) without any CL zoning feature are free of these impurities and do not show such zoning characteristics. Differences in the δ18O values were measured between different faces principally in the AIenriched growth zones or stages. These results were confirmed by the means of two different methods (in situ/non in situ). However, it was determined that the Al concentrations do not affect significantly oxygen isotope fractionations at 300°C. The results altogether suggest that the presence of sector zoning in quartz crystals is real, but not universal, and henceforth should be taken into consideration for any use of these systems. The occurrence of disequilibrium partitioning has been enhanced and is possibly related to kinetic processes as well as structural effects that do not affect similarly trace element incorporation and isotopic fractionation. In situ measurements also revealed fine scale δ18O zonations along growth paths that are useful to constrain fluid-rock interactions during Alpine metamorphism. Variations in the δ18O values present along growth vectors indicate changes in the fluid composition and origin. Association with oxygen isotope composition of the host rock allows for the deduction of interactions between rocks, veins and consequently fluids, as well as fluid regimes. RESUME DE LA THESE : A basses températures, (i.e. <400°C) les différents mécanismes qui régissent le fractionnement isotopique ainsi que les conditions nécessaires pour établir un état d'équilibre sont peu connus et nombre de paramètres peuvent entraîner un partitionnement chimique différentiel entre différents secteurs d'un minéral et le fluide en contact. Ainsi, ce travail de thèse a pour but d'évaluer la possible présence de zonages sectoriels en isotopes de l'oxygène mais aussi en éléments traces dans des cristaux naturels de quartz-α de basses températures, ainsi que les raisons d'un tel phénomène et enfin ses implications sur les interactions fluide-roche, principalement dans le cadre du métamorphisme Alpin. La structure et l'apparence en cathodoluminescence (CL) des échantillons ont été caractérisées avant de retracer en détail les compositions en élément traces (Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti, Fe) et en isotopes de l'oxygène, le long et entre différents secteurs. Les échantillons de quartz sélectionnés proviennent majoritairement de veines Alpine de différentes localités, où les conditions de croissance ont été déjà bien caractérisées. Les compositions minéralogiques et isotopiques de la roche encaissante ont aussi été examinées, pour contraindre les variations obtenues dans un contexte Alpin. Selon leurs conditions de croissance, la plupart des cristaux étudiés sont fortement zonés, ce qui est souligné par un zonage des concentrations en éléments traces (e.g. zonage de croissance). L'Aluminium, qui peut se substituer à la Silice dans le réseau cristallin, a été retrouvé jusqu'en très grandes concentrations dans certaines zones (plusieurs milliers de ppma). De plus, la distribution en Al est fortement liée à celles de Li et H, ainsi que dans une moindre mesure à Ge. La présence de zonage sectoriel est évidente au niveau de ces éléments qui montrent de larges différences de concentrations entre différentes faces pour une même zone de croissance, avec les concentrations les plus basses retrouvées dans les faces prismatiques. Les quartz de veines situées dans des roches magmatiques par exemple possèdent des concentrations en Li et Ti de même ordre de grandeur, confirmant le rôle de la composition de la roche encaissante. La relation Li/Al est toujours fortement présente, mais ce rapport est fonction de la face mesurée. Seuls les cristaux Alpins de plus hautes températures (400°C) ne possédant pas de zones en CL ne présentent aucune de ces caractéristiques. Des différences dans les valeurs de δ18O de zones identiques enrichies en Al ont clairement été mesurées entre les différentes faces r, z, et m, mais aussi au sein d'une même seule zone, indiquant que le fractionnement a probablement eu lieu en déséquilibre. Il a été déterminé que la présence d'Al dans ces teneurs n'avait qu'un faible effet sur le fractionnement isotopique de l'oxygène. L'utilisation de deux méthodes différentes a permis d'obtenir des résultats in situ et non in situ concordants. La comparaison des résultats obtenus permet de démontrer que le zonage sectoriel est bien présent dans certains cristaux de quartz, et dépend des conditions de formation. La présence d'un partitionnement différentiel des éléments traces peut être due à des effets cinétiques aussi bien que structuraux, alors que le zonage sectoriel des isotopes de l'oxygène aurait d'autres origines. Il est alors évident que la possibilité de zonage sectoriel doit être désormais pris en considération avant toute interprétations de données isotopiques de cristaux zonés. Les mesures in situ ont de plus permis de distinguer de fines variations des valeurs δ18O au cours de la croissance, qui peuvent aider à retracer la circulations des fluides dans les Alpes durant cette période. En association avec les compositions des roches encaissantes, ii est possible de déduire les interactions entre roches, veines, et par conséquent fluides, au cours de différentes étapes. RESUME GRAND PUBLIC : La géochimie des isotopes stables a pris beaucoup d'importance depuis ces dernières années pour aider à résoudre nombre de questions géologiques, en se basant sur les caractéristiques du fractionnement isotopiques pour différents systèmes. Il est donc nécessaire d'avoir une connaissance approfondie des mécanismes qui s'appliquent au fractionnement isotopique entre les minéraux et les fluides à partir desquels ils se forment. Ces mécanismes ont été bien approchés par différents types de calibrations pour des systèmes à hautes températures, cependant cela n'est pas aussi évident pour les systèmes à des températures inférieures à 400-500°C. Ce travail de thèse a pour but d'aider à la description et la compréhension des phénomènes qui peuvent affecter le fractionnement isotopique à basses températures, ainsi que leurs implications, à partir de l'étude de cristaux de quartz. Le choix des échantillons s'est porté sur des cristaux naturels formés à des températures inférieures ou égales à 400°C, provenant majoritairement de fissures hydrothermales Alpines dont les conditions de formation ont déjà été déterminées. L'étude des cristaux Alpin permet de plus de replacer les résultats obtenus dans le contexte du métamorphisme Alpin au cours du Miocène (21-13 Ma). Après examen de la structure et de la morphologie des cristaux, et leur caractérisation par cathodoluminescence (CL), des analyses chimiques détaillées sur les éléments en traces pouvant entrer dans le réseau cristallin du quartz comme impuretés (i.e. Li, Na, Al, P, K, Ca, Ge, Ti), et des isotopes stables de l'oxygène, ont été menées. En fonction des conditions de croissance, la plupart des cristaux présentent des zonations, qui peuvent être facilement reliées à la distribution des éléments traces analysés par microsonde électronique, sonde ionique (SIMS) et LA-ICPMS. De fortes concentrations d'Aluminium (plusieurs milliers de parties par million atomique) ont pu être observées dans les zones les plus externes des cristaux. De plus, les concentrations en Al et en Li sont toujours corrélées; la présence d'Hydrogène déduite à partir d'analyses par FTIR suit cette même tendance. Les différentes faces des cristaux présentent des concentrations distinctes d'Al, Li et H pour des mêmes zones de croissance, avec par exemple les concentrations les plus faibles dans les zones des faces prismatiques. Cela implique la présence d'un zonage sectoriel, qui a déjà été observé principalement dans des carbonates mais jamais décrit auparavant pour des quartz. Seuls les cristaux alpins homogènes en CL dont la croissance s'est faite à plus haute température (400°C) ne présentent aucune de ces caractéristiques. Par analogie avec le zonage sectoriel en Al, élément qui se substitue au Si dans le réseau cristallin du quartz, il est possible de penser qu'un zonage sectoriel pourrait aussi s'appliquer aux isotopes de l'oxygène. Des précédentes études avaient en effet émis cette hypothèse. Nos résultats ont été obtenus à partir d'analyses à la fois in- situ par SIMS, et par extraction assistée par laser-CO2 sur des parties de quartz soigneusement séparées, et sont en accord entre les deux méthodes. Un zonage sectoriel est en effet bien présent pour les cristaux alpins, mais principalement au niveau des zones très riches en Aluminium. Cependant, il a été déterminé que la présence d'Al dans ces teneurs avait un effet plus que minimal sur le fractionnement isotopique de l'oxygène. Des différences importantes ont été observées entre les faces r & z mais aussi au sein d'une même et seule zone, indiquant que le fractionnement a pu avoir lieu en déséquilibre, ce qui est aussi visible au niveau des valeurs totalement opposées entre faces pour la dernière phase de croissance de certains cristaux. Ainsi l'association de ces résultats laisse suggérer que la présence d'un zonage sectoriel peut être liée à différents paramètres tels que le taux de croissance ou la structure de surface du cristal, mais qui n'affectent pas de la même façon l'incorporation des éléments traces et le fractionnement isotopique. La possibilité d'un zonage sectoriel est importante à prendre en compte lors de toute interprétation de données isotopiques. Les analyses des isotopes de l'oxygène effectuées par SIMS ont aussi permis de distinguer des variations importantes à petite échelle au cours de la croissance. Des mesures faites par laser CO2 sur certaines roches encaissantes, ont permis distinguer plusieurs étapes dans la croissance des minéraux et de déduire le rôle de l'encaissant et le type de fluide. En association avec de précédentes études, il a été ainsi possible de mieux contraindre la formation de ces cristaux dans le contexte alpin et la circulation de fluide au cours du métamorphisme alpin durant le Miocène.

Fluid-rock interaction during late stages of the Alpine exhumation

Résumé de la thèseLa fracturation des roches au cours de phases compressives ou extensives est un souvent évoquée pour expliquer la circulation de fluide au sein des roches cristallines. Dans le cadre de cette thèse, la circulation des fluides lors de l'exhumation tardive des Alpes a été étudiée en utilisant deux approches différentes: analyses structurales de la déformation fragile d'une part et analyses géochimiques des roches et des minéraux (isotopes stables, datations U/Pb, thermochronologie (U-Th)/He) d'autre part. Cette approche combinée a permis de mieux comprendre l'interaction existante entre les fluides métamorphiques et les fluides météoriques, ainsi que leur interaction avec les roches encaissantes. Le travail a été effectué dans la zone Pennique du Valais suisse.La première partie était focalisée sur la déformation fragile, le but étant de définir les différents types de déformations existantes et de déterminer l'âge relatif des différentes familles de failles. Dans la région d'étude, quatre domaines ont été distingués. Chacun d'eux comportent deux types de structures fragiles, certaines sont minéralisées alors que d'autre non. Au sein de chaque domaine, la direction principale des structures minéralisées correspond à l'orientation des accidents tectoniques majeurs de la région (Aosta- Ranzola Line au Sud, Rhône Line au Nord et Simplon Fault Zone à l'Est), alors que les structures non- minéralisées montrent des orientations plus variables. Ainsi, le premier type de structure est interprété comme résultant d'une dislocation tectonique alors que le deuxième type de structure résulterait d'une dislocation gravitaire locale. Il n'est néanmoins pas possible de classer chronologiquement la formation de ces deux types de structure ni d'attribuer un âge relatif aux changements d'orientation des contraintes majeures.La deuxième étude a été effectuée dans la région de la zone de faille du Simplon. Dans cette zone, la composition isotopique des minéraux ayant cristallisé à l'intérieur des fractures tardives permet de distinguer différents types de circulation de fluide. Les valeurs δ180 du quartz de la roche encaissante ainsi que ceux des veines tardives du bloque inférieur de la faille sont comparables. Ces valeurs indiquent un rééquilibrage et un tamponnage isotopique des fluides tardifs au contact de la roche encaissante lors de la fracturation de cette dernière et de la cristallisation des veines tardives. La même situation est observée dans la partie nord du bloque supérieur ainsi que dans sa partie sud. Ceci n'est néanmoins pas le cas pour la partie centrale du bloque supérieur où les valeurs isotopiques des minéraux dans les veines tardives sont approximativement 3 %o plus basses (avec des valeurs extrêmes négatifs), indiquant une contribution d'eau météorique aux fluides circulant dans les veines. Ces données suggèrent qu'une infiltration d'eau météorique a pu avoir lieu dans le bloque supérieur, où la fracturation des roches est plus intensive car le déplacement relatif le long de la faille y fut plus important, et la température maximale du métamorphisme plus basse. La troisième contribution traite de la géo-thermochronologie de la zone de contact entre la klippe de la Dent Blanche et la nappe de Tsaté. De petits zircons euhédraux ont été trouvés dans un plan de faille minéralisé (parallèle à la Faille du Rhône, voir première partie de l'étude), riche en hématite et quartz, de la zone d'étude. Les analyses U/Pb donnent des âges radiométriques autour de 270 - 280 Ma aux zircons extraits de la minéralisation ainsi que ceux extraits de la roche encaissante, ce qui correspond à l'âge de la nappe de la Dent Blanche et non celui de la nappe du Tsaté qui est elle-même classiquement interprétée comme une ophiolite Jurassique de l'Océan Liguro-Piémontais. Ces données suggèrent que les zircons contenus dans la veine ont été hérités de la roche encaissante. Les résultats (U-Th)/He indiquent un âge de refroidissement différent pour la roche encaissante (25.5 ± 2.0 Ma) que celui de la minéralisation (17.7 ±1.4 Ma). Le thermomètre isotopique quartz-hématite indique une température d'équilibre, et donc de mise en place de la minéralisation, d'environ 170 °C, température très proche de la température de -180 °C de fermeture du zircon pour le système (U-Th)/He. Ceci suggère que l'âge de refroidissement des zircons de la minéralisation correspond aussi à l'âge de formation de la faille.Thesis abstractFluid circulation in fractured rocks is a common process in geology, and it is generally the consequence of faulting and fracturing during both tectonic compression and extension. This thesis is focused on fluid circulation during late stages of the Alpine exhumation. After a structural analysis of the late brittle deformation of the studied samples, several analytical methods (stable isotope investigations, U/Pb radiometric dating, (U-Th)/He thermochronology) have been applied to understand the interaction of metamorphic and meteoric fluids with one another as well as with the host rock. This thesis is articulated around three study directions. All studies were conducted in the Penninic Zone of the Valais, Switzerland. The first study deals with late, brittle deformation and focuses on the different deformation styles and on the relative age of the different families of fractures. In order to do this, late brittle structures observed in four different domains have been subdivided as a function of the existence (or not) and type of mineralization. Comparisons between mineralized and non-mineralized strike directions for all four domains show that mineralized structures follow the strike orientation of major tectonic movements indicated in the Penninic Zone of the Valais (Aosta-Ranzola Line to the S, Rhône Line to the Ν and Simplon Fault Zone to the E), whereas non-mineralized fractures have a more variable strike orientation. This difference could be interpreted as indicative of tectonic-related faulting (mineralized structures) vs. local, collapse-related faulting (non-mineralized fractures), but it is not strong enough to indicate a relative age of the late brittle structures, and/or a change in the orientation of the strain field in post-Miocene times. The second studied area is focused on the Simplon Fault Zone (SFZ). Stable isotope analyses of minerals filling these late fractures indicate that there are two different fluid circulation systems in the footwall and hanging wall of the SFZ. In the footwall, δ180 values of quartz from both the host rock and the late veins range from +10 %o to +12 %o. This is consistent with buffering of circulating fluids by the host rock during fracturing and vein precipitation. In the hanging wall, δΙ80 values for quartz crystals from the host rock and the late veins are similar in both the northern and southern parts of the detachment that are both affected by the same degree of metamorphism (greenschist to the Ν and amphibolite to the S). This is not the case in the central part of the SFZ, where there is a jump from amphibolite facies in the footwall to greenschist facies in the hanging wall. δ,80 values for quartz from the hanging wall late veins are approximately 3.0 %o lower (down to negative values in some cases) than the values observed in the footwall These data suggest that infiltration of meteoric water may have occurred in the most fractured parts of the hanging wall, where relative displacement on the SFZ was the greatest and the peak temperature lower. In the less fractured footwall the δ180 values reflect a host rock-buffered system.The third study is focused on geo-thermochronology at the contact between the Dent Blanche nappe and the Tsaté nappe where small, euhedral zircons were found in a hematite- and quartz-rich mineralization on a late normal fault plane parallel to the Rhône Line (see first part of the study). U/Pb analysis indicates that the zircons - both in the late mineralization and in the host rock - have absolute radiometric ages clustering around 270 - 280 Ma, which is the accepted age for intrusive rocks from the Austroalpine Dent Blanche units but not for the Tsaté nappe. The latter is classically interpreted as an ophiolitic remnant of the Jurassic Liguro-Piemontais Ocean. U/Pb analyses suggest that zircons in late mineralization are all inherited from the host rock; however, results of (U-Th)/He analyses indicate that cooling ages for the host rocks are different to the cooling ages for the zircons in late mineralization. Indeed, the calculated cooling age for the Arolla gneiss is 25.5 ± 2.0 Ma, whilst the cooling age for the associated mineralized fault plane is 17.7 ±1.4 Ma. Oxygen stable isotope fractionation between quartz and hematite in the same late mineralization corresponds to temperatures of about 170 °C. The proximity of the calculated emplacement temperature for the mineralization and the lower accepted closure temperature for zircon in the (U-Th)/He system (-180 °C) imply that the age of 17.7 ± 1.4 Ma can also be interpreted as the formation age of this late brittle fault.Résumé grand publicLa circulation des fluides dans les roches fracturées est typique de nombreux processus géologiques, et très souvent est la conséquence de la fracturation des roches. Cette thèse aborde la question de la circulation des fluides pendant les dernières phases du soulèvement des Alpes. Après une analyse structurale de la fracturation directement sur le terrain, plusieurs méthodes géochimiques ont été appliquées pour comprendre l'interaction entre les différents fluides circulants, et avec leur propre roche mère. L'étude, concentrée sur trois directions principales, a été conduite dans la zone Pennique du Valais suisse. La première partie traite de la déformation cassante dans le secteur cité. L'analyse détaillée des fractures a permis de les subdiviser en structures minéralisées et non-minéralisées, sur quatre domaines différents. La comparaison entre les directions des structures minéralisées et non-minéralisées a permis de montrer que les premières suivent l'orientation des accidents tectoniques majeurs de la région, alors que les structures non- minéralisées ont une orientation plus variable. Cette différence pourrait être interprétée comme indication d'une dislocation tectonique (structures minéralisées) contre une dislocation gravitaire locale (structures non-minéralisées), mais elle n'est pas assez forte pour indiquer un âge relatif des structures tardives et/ou un changement de l'orientation des contraintes après -20 Ma vers le présent.A partir de ces observations, la deuxième étude est concentrée dans la région de la faille du Simplon. Les analyses géochimiques sur les minéraux remplissant les structures tardives indiquent qu'il y a deux différents systèmes de circulation des fluides dans les deux parties (toit et mur) de la faille. Dans le mur, les valeurs isotopiques des minéraux cristallisés à partir d'un fluide tardif sont les mêmes de ceux de la roche mère, donc il y a eu rééquilibration chimique entre fluide et roche pendant la fracturation de cette dernière et la précipitation des minéraux. Dans le toit, les valeurs isotopiques dans la roche mère et dans les minéraux des veines tardives sont comparables dans les parties Ν et S de la faille, où les roches du toit et du mur ont atteint une température maximale - pendant phase prograde de la formation des Alpes - comparable. Au contraire, dans la partie centrale, où le mur a atteint des températures maximales plus élevées par rapport au toit, les valeurs géochimiques des minéralisations tardives du toit sont parfois plus basses que les valeurs observées dans le mur. Ces données suggèrent que l'infiltration de l'eau de surface aurait pu se produire dans la partie plus fracturée du toit, où le déplacement relatif le long de la faille était majeur et les températures maximales mineures. Au contraire, les données géochimiques du mur de la partie centrale indiquent un système isotopique équilibré par la roche mère.La troisième partie de ce travail se base sur l'étude géochimique intégrée des isotopes stables d'Oxygène et radioactifs du Plomb, Uranium, Thorium et Hélium, auprès d'une faille normale minéralisée et des roches de la région à cheval entre deux nappes, la nappe de la Dent Blanche et la nappe de Tsaté. Ici, des petits zircons ont été trouvés dans la minéralisation citée, riche en hématite et quartz. L'analyse radiométrique Uranium/Plomb a montré que les zircons dans la minéralisation et dans les roches autour ont des âges comparables (autour 280 Ma). Cela signifie que les zircons dans la minéralisation tardive ont été hérités de la roche mère pendant la fracturation et la circulation des fluides tardives. De l'autre coté, les résultats des analyses Uranium-Thorium/Hélium indiquent que les âges de refroidissement pour les roches mères sont différents comparés aux âges de refroidissement pour les zircons dans la minéralisation tardive: ces derniers sont plus jeunes d'environ 8 Ma (autour 25 Ma et autour 17 Ma respectivement). Les analyses des isotopes de l'oxygène sur quartz et hématite dans la même minéralisation donnent une température de mise en place de cette dernière d'environ 170° C. La température de fermeture du système chimique des zircons dans le système (Uranium-Thorium)/Hélium est d'environ 180 °C: la proximité de ces deux températures implique que l'âge de refroidissement de la minéralisation tardive peut également être interprété comme âge de formation de la faille.