The Mont Collon mafic complex (Austroalpine Dent Blanche nappe) : permian evolution of the Western European mantle

Résumé: Le complexe du Mont Collon (nappe de la Dent Blanche, Austroalpin) est l'un des exemples les mieux préservés du magmatisme mafique permien des Alpes occidentales. Il est composé d'affleurements discontinus et d'une stratification magmatique en son centre (Dents de Bertol) et est composé à 95% de roches mafiques cumulatives (gabbros à olivine et/ou cpx, anorthositiques, troctolites, wehrlites et wehrlites à plagioclase) et localement de quelques gabbros pegmatitiques. Ces faciès sont recoupés par de nombreux filons acides (aphtes, pegmatites quartziques, microgranodiorites et filons anorthositiques) et mafiques tardifs (dikes mélanocrates riches en Fe et Ti). Les calculs thermométriques (équilibre olivine-augite) montrent des températures de 1070-1120 ± 6°C, tandis que le thermomètre amphibole-plagioclase indique une température de 740 ± 40°C à 0.5 GPa pour les amphiboles magmatiques tardives. La geobarométrie sur pyroxène donne des pressions moyennes de 0.3-0.6 GPa, indiquant un emplacement dans la croûte moyenne. De plus, les températures obtenues sur des amphiboles coronitiques indiquent des températures de l'ordre de 700 ± 40°C confirmant que les réactions coronitiques apparaissent dans des conditions subsolidus. Les âges concordants U/Pb sur zircons de 284.2 ± 0.6 et 282.9 ± 0.6 Ma obtenus sur un gabbro pegmatitique et une pegmatitique quartzique, sont interprétés comme des âges de cristallisation. Les datations 40Ar/39Ar sur amphiboles des filons mélanocrates donnent un âge plateau de 260.2 ± 0.7 Ma, qui est probablement très proche de l'âge de cristallisation. Ainsi, cet age 40Ar/39Ar indique un second évènement magmatique au sein du complexe. Les compositions des roches totales en éléments majeurs et traces montrent peu de variations, ainsi que le Mg# (75-80). Les éléments traces enregistrent le caractère cumulatif des roches (anomalie positive en Eu) et révèlent des anomalies négatives systématiques en Nb, Ta, Zr, Hf et Ti dans les faciès basiques. Le manque de corrélation entre éléments majeurs et traces est caractéristique d'un processus de cristallisation in situ impliquant une quantité variable de liquide interstitiel (L) entre les phases cumulus. Les distributions des éléments traces dans les minéraux sont homogènes, indiquant une rééquilibration .subsolidus entre cristaux et liquide interstitiel. Un modèle quantitatif basé sur les équations de cristallisation in situ de Langmuir reproduisent correctement les concentrations en terres rares légères des minéraux cumulatifs montrant la présence de 0 à 35% de liquide interstitiel L pour des degrés de différenciation F de 0 à 45%, par rapport au faciès les moins évolués du complexe. En outre, les valeurs de L sont bien corrélées avec les proportions modales d'amphibole interstitielle et les concentrations en éléments incompatibles des roches (Zr, Nb). Le liquide parental calculé des cumulats du Mont Collon est caractérisé par un enrichissement relatif en terres rares légères et Th, un appauvrissement en terres rares lourdes typique d'une affinité transitionnelle (T-MORB) et une forte anomalie négative en Nb-Ta. Les roches cumulatives montrent des compositions isotopiques en Nd-Sr proches de la terre globale silicatée (BSE), soit 0.6<εNdi<+3.2, 0.7045<87Sr/86Sri<0.7056. Les rapports initiaux en Pb indiquent une source dans le manteau enrichi subcontinental lithosphérique, préalablement contaminé par des sédiments océaniques. Les dikes mélanocrates Fe-Ti sont représentatifs de liquides et ont des spectres de terres rares enrichis, une anomalie positive en Nb-Ta et des εNdi de +7, des 87Sr/86Sri de 0.703 et des rapports initiaux en Pb, similaires à ceux des basaltes d'île océanique, indiquant une source asthénosphérique modérément appauvrie. Ainsi, la fusion partielle du manteau lithosphérique subcontinental est induite par l'amincissement post-orogénique et la remontée de l'asthénosphère. Les filons mélanocrates proviennent, après délamination du manteau lithosphérique, de la fusion de l'asthénosphère. Abstract The early Permian Mont Collon mafic complex (Dent Blanche nappe, Austroalpine nappe system) is one of the best preserved examples of the Permian mafic magmatism in the Western Alps. It is composed of discontinuous exposures and a well-preserved magmatic layering (the Dents de Bertol cliff) crops out in the center part of the complex. It mainly consists of cumulative mafic rocks, which represent 95 vol-% of the mafic complex (ol- and cpx-bearing gabbros and rare anorthositic layers, troctolites, wehrlites and plagioclase-wehrlites) and locally pegmatitic gabbros. All these facies are crosscut by widespread acidic (aplites, quartz-rich pegmatites, microgranodiorites) and late mafic Fe-Ti melanocratic dikes. Olivine-augite thermometric calculations yield a range of 1070-1120 ± 6°C, while amphibole-plagioclase thermometer yields a temperature of 740 ± 40°C at 0.5 GPa. Pyroxene geobarometry points to a pressure of 0.3-0.6 GPa, indicating a middle crustal level of emplacement. Moreover, temperature calculations on the Mont Conon coronitic amphiboles indicate temperatures of 700 ± 40°C, close to those calculated for magmatic amphiboles. These temperatures confirm that coronitic reactions occurred at subsolidus conditions. ID-TIMS U/Pb zircon ages of 284.2 ± 0.6 and 282.9 ± 0.6 Ma obtained on a pegmatitic gabbro and a quartz-pegmatitic dike, respectively, were interpreted as the crystallization ages of these rocks. 40Ar/39Ar dating on amphiboles from Fe-Ti melanocratic dikes yields a plateau age of 260.2 ± 0.7 Ma, which is probably very close to the crystallization age. Consequently, this 40Ar/P39Ar age indicates a second magmatic event. Whole-rock major- and trace-element compositions show little variation across the whole intrusion and Mg-number stays within a narrow range (75-80). Trace-element concentrations record the cumulative nature of the rocks (e.g. positive Eu anomaly) and reveal systematic Nb, Ta, Zr, Hf and Ti negative anomalies for all basic facies. The lack of correlation between major and trace elements is characteristic of an in situ crystallization process involving variable amounts of interstitial liquid (L) trapped between the cumulus mineral phases. LA-ICPMS measurements show that trace-element distributions in minerals are homogeneous, pointing to subsolidus re-equilibration between crystals and interstitial melts. A quantitative modeling based on Langmuir's in situ crystallization equation successfully reproduced the Rare Earth Element (REE) concentrations in cumulitic minerals. The calculated amounts of interstitial liquid L vary between 0 and 35% for degrees of differentiation F of 0 to 45%, relative to the least evolved facies of the intrusion. Furthermore, L values are well correlated with the modal proportions of interstitial amphibole and whole-rock incompatible trace-element concentrations (e.g. Zr, Nb) of the tested samples. The calculated parental melt of the Mont Collon cumulates is characterized by a relative enrichment in Light REE and Th, a depletion in Heavy REE, typical of a transitional affinity (T-MORB), and strong negative Nb-Ta anomaly. Cumulative rocks display Nd-Sr isotopic compositions close to the BSE (-0.6 < εNdi < +3.2, 0.7045 < 87Sr/86Sri < 0.7056). Initial Pb ratios point to an origin from the melting of an enriched subcontinental lithospheric mantle source, previously contaminated at the source by oceanic sediments. The contrasted alkaline Fe-Ti melanocratic dikes are representative of liquids. They display enriched fractionated REE patterns, a positive Nb-Ta anomaly and εNdi of +7, 87Sr/86Sri of 0.703 and initial Pb ratios, all reminiscent of Ocean Island Basalt-type rocks, pointing to a moderately

Application des méthodes géophysiques à l'étude de deux sites (Kappelen et Grenchen) de l'aquifère poreux complexe du Seeland

L'aquifère du Seeland représente une richesse en ressources hydriques qu'il est impératif de préserver contre tout risque de détérioration. Cet aquifère prolifique est constitué principalement de sédiments alluviaux post-glaciaires (graviers, sables et limons). Il est soumis aux contraintes environnementales des pratiques d'agriculture intensive, du réseau routier, des villes et de leurs activités industrielles. La connaissance optimale de ces ressources est donc primordiale pour leur protection. Dans cette optique, deux sites Kappelen et Grenchen représentatifs de l'aquifère du Seeland ont été étudiés. L'objectif de ce travail est de caractériser d'un point de vue hydrogéophysique l'aquifère au niveau de ces deux sites, c'est-à-dire, comprendre la dynamique des écoulements souterrains par l'application des méthodes électriques de surface associées aux diagraphies en intégrant des méthodes hydrogéologiques. Pour le site de Kappelen, les méthodes électriques de surface ont permis d'identifier les différents faciès géoélectriques en présence et de mettre en évidence leur disposition en une structure tabulaire et horizontale. Il s'agit d'un aquifère libre constitué d'une série de graviers allant jusqu'à 15 m de profondeur reposant sur de la moraine argileuse. Les diagraphies électriques, nucléaires et du fluide ont servis à la détermination des caractéristiques pétrophysiques et hydrauliques de l'aquifère qui contrôlent son comportement hydrodynamique. Les graviers aquifères de Kappelen présentent deux minéraux dominants: quartz et calcite. Les analyses minéralogiques indiquent que ces deux éléments constituent 65 à 75% de la matrice. La porosité totale obtenue par les diagraphies nucléaires varie de 20 à 30 %, et de 22 à 29 % par diagraphies électrique. Avec les faibles valeurs de Gamma Ray ces résultats indiquent que l'aquifère des graviers de Kappelen est dépourvu d'argile minéralogique. La perméabilité obtenue par diagraphies du fluide varie de 3.10-4 à 5.10-2 m/s, et par essais de pompage de 10-4 à 10-2 m/s. Les résultats des analyses granulométriques indiquent une hétérogénéité granulométrique au niveau des graviers aquifères. La fraction de sables, sables très fins, silts et limons constitue de 10 à 40 %. Ces éléments jouent un rôle important dans le comportement hydraulique de l'aquifère. La porosité efficace de 11 à 25% estimée à partir des résultats des analyses granulométriques suppose que les zones les plus perméables correspondent aux zones les plus graveleuses du site. Etablie sur le site de Kappelen, cette méthodologie a été utilisée sur le site de Grenchen. Les méthodes électriques de surface indiquent que l'aquifère captif de Grenchen est constitué des sables silteux comprenant des passages sableux, encadrés par des silts argileux imperméables. L'aquifère de Grenchen est disposé dans une structure relativement tabulaire et horizontale. Son épaisseur totale peut atteindre les 25 m vers le sud et le sud ouest ou les passages sableux sont les plus importants. La détermination des caractéristiques pétrophysiques et hydrauliques s'est faite à l'aide des diagraphies. Les intensités Gamma Ray varient de 30 à 100 cps, les plus fortes valeurs n'indiquent qu'une présence d'éléments argileux mais pas de bancs d'argile. Les porosités totales de 15 à 25% et les densités globales de 2.25 à 2.45 g/cm3 indiquent que la phase minérale (matrice) est composée essentiellement de quartz et de calcaire. Les densités de matrice varient entre 2.65 et 2.75 g/cm3. La perméabilité varie de 2 10-6 à 5 10-4 m/s. La surestimation des porosités totales à partir des diagraphies électriques de 25 à 42% est due à la présence d'argiles. -- The vast alluvial Seeland aquifer system in northwestern Switzerland is subjected to environmental challenges due to intensive agriculture, roads, cities and industrial activities. Optimal knowledge of the hydrological resources of this aquifer system is therefore important for their protection. Two representative sites, Kappelen and Grenchen, of the Seeland aquifer were investigated using surface-based geoelectric methods and geophysical borehole logging methods. By integrating of hydrogeological and hydrogeophysical methods, a reliable characterization of the aquifer system at these two sites can be performed in order to better understand the governing flow and transport process. At the Kappelen site, surface-based geoelectric methods allowed to identify various geoelectric facies and highlighted their tabular and horizontal structure. It is an unconfined aquifer made up of 15 m thick gravels with an important sandy fraction and bounded by a shaly glacial aquitard. Electrical and nuclear logging measurements allow for constraining the petrophysical and hydrological parameters of saturated gravels. Results indicate that in agreement with mineralogical analyses, matrix of the probed formations is dominated by quartz and calcite with densities of 2.65 and 2.71 g/cc, respectively. These two minerals constitute approximately 65 to 75 % of the mineral matrix. Matrix density values vary from 2.60 to 2.75 g/cc. Total porosity values obtained from nuclear logs range from 20 to 30 % and are consistent with those obtained from electrical logs ranging from 22 to 29 %. Together with the inherently low natural gamma radiation and the matrix density values obtained from other nuclear logging measurements, this indicates that at Kappelen site the aquifer is essentially devoid of clay. Hydraulic conductivity values obtained by the Dilution Technique vary between 3.10-4 and 5.10-2 m/s, while pumping tests give values ranging from 10-4 to 10-2 m/s. Grain size analysis of gravel samples collected from boreholes cores reveal significant granulometric heterogeneity of these deposits. Calculations based on these granulometric data have shown that the sand-, silt- and shale-sized fractions constitute between 10 and 40 % of the sample mass. The presence of these fine elements in general and their spatial distribution in particular are important as they largely control the distribution of the total and effective porosity as well as the hydraulic conductivity. Effective porosity values ranging from 11 to 25% estimated from grain size analyses indicate that the zones of higher hydraulic conductivity values correspond to the zones dominated by gravels. The methodology established at the Kappelen site was then applied to the Grenchen site. Results from surface-based geoelectric measurements indicate that it is a confined aquifer made up predominantly of shaly sands with intercalated sand lenses confined impermeable shally clay. The Grenchen confined aquifer has a relatively tabular and horizontal structure with a maximum thickness of 25 m in the south and the southwest with important sand passages. Petrophysical and hydrological characteristics were performed using electrical and nuclear logging. Natural gamma radiation values ranging from 30 to 100 cps indicate presence of a clay fraction but not of pure clay layers. Total porosity values obtained from electrical logs vary form 25 to 42%, whereas those obtained from nuclear logs values vary from 15 to 25%. This over-estimation confirms presences of clays. Density values obtained from nuclear logs varying from 2.25 to 2.45 g/cc in conjunction with the total porosity values indicate that the dominating matrix minerals are quartz and calcite. Matrix density values vary between 2.65 and 2.75 g/cc. Hydraulic conductivity values obtained by the Dilution Technique vary from 2 10-6 to 5 10-4 m/s.