Garnet growth in the Nufenen Pass area (Swiss Alps)

Abstract : Textural division of a mineral in pyramids, with their apices located at the centre of the mineral and their bases corresponding to the mineral faces is called textural sector zoning. Textural sector zoning is observed in many metamorphic minerals like andalousite and garnet. Garnets found in the graphite rich black shales of the Mesozoic cover of the Gotthard Massif display textural sector zoning. The morphology of this sector zoning is not the same in different types of black shales observed in the Nufenen pass area. Garnets in foliated black shales display a well developed sector zoning while garnets found in cm-scale layered black shales display well developed sectors in the direction of the schistosity plane. This sector zoning is always associated with up to 30μm sized birefringent lamellae emanating radial from the sector boundaries. They alternate with isotrope lamellae. The garnet forming reaction was determined using singular value decomposition approach and results compared to thermodynamic calculations. It is of the form chl + mu + cc + cld = bt + fds + ank + gt + czo and is similar in both layered and foliated black shales. The calculated X(O) is close to 0.36 and does not significantly vary during the metamorphic history of the rock. This corresponds to X CO2, X CH4, and X H2O BSE imaging of garnets on oriented-cuts revealed that the orientation of the lamellae found within the sectors is controlled by crystallography. BSE imaging and electron microprobe analysis revealed that these lamellae are calcium rich compared to the isotropic lamellae. The addition of Ca to an almandine rich garnet causes a small distortion of the X site and potentially, ordering. Ordered and disordered garnet might have very similar free energies for this composition. Hence, two garnets with different composition can be precipitated with minor overstepping of the reaction. It is enough that continued nucleation of a new garnet layer slightly prefers the same structure to assure a fiber-like growth of both garnet compositions side by side. This hypothesis is in agreement with the thermodynamic properties of the garnet solid solution described in the literature and could explain the textures observed in garnets with these compositions. To understand the differences in sector zoning morphology, and crystal growth kinetics, crystal size distribution were determined in several samples using 2D spatial analysis of slab surfaces. The same nucleation rate law was chosen for all cases. Different growth rate law for non-layered black shales and layered black shales were used. Garnet in layered black shales grew according to a growth rate law of the form R=kt ½. The transport of nutrient is the limiting factor. Transport will occur preferentially on the schistosity planes. The shapes of the garnets in such rocks are therefore ovoid with the longest axis parallel to the schistosity planes. Sector zoning is less developed with sectors present only parallel to the schistosity planes. Garnet in non-layered blackshales grew according to a growth rate law of the form R=kt. The limiting factor is the attachment at the surface of the garnet. Garnets in these rocks will display a well developed sector zoning in all directions. The growth rate law is thus influenced by the texture of the rock. It favours or hinders the transport of nutrient to the mineral surface. Résumé : La zonation sectorielle texturale consiste en la division d'un cristal en pyramides dont les sommets sont localisés au centre du minéral. La base de ces pyramides correspond aux faces du minéral. Ce type de zonation est fréquemment observé dans les minéraux métamorphiques tels que l'andalousite ou le grenat. Les grenats présents dans les marnes riches en graphites de la couverture Mésozoïque du Massif du Gotthard présent une zonation sectorielle texturale. La morphologie de cette zonation n'est pas la même dans les marnes litées et dans les marnes foliées. Les grenats des marnes foliées montrent des secteurs bien développés dans 3 directions. Les grenats des marnes litées montrent des secteurs développés uniquement dans la direction des plans de schistosité. Cette zonation sectorielle est toujours associée à des lamelles biréfringentes de quelques microns de large qui partent de la limite des secteurs et qui sont perpendiculaires aux faces du grenat. Ces lamelles alternent avec des lamelles isotropes. La réaction de formation du grenat a été déterminée par calcul matriciel et thermodynamique. La réaction est de la forme chl + mu + cc + cld= bt + fds + ank + gt + czo. Elle est similaire dans les roches litées et dans les roches foliées. L'évaluation des conditions fluides montrent que le X(O) est proche de 0.36 et ne change pas de façon significative durant l'histoire métamorphique de la roche. Des images BSE sur des coupes orientées ont révélé que l'orientation de lamelles biréfringentes est contrôlée parla crystallographie. La comparaison des analyses à la microsonde électronique et des images BSE révèle également que les lamelles biréfringentes sont plus riches en calcium que les lamelles isotropes. L'addition de calcium va déformer légèrement le site X et ainsi créer un ordre sur ce site. L'énergie interne d'un grenat ordré et d'un grenat désordonné sont suffisamment proches pour qu'un léger dépassement de l'énergie de la réaction de formation permette la coexistence des 2 types de grenat dans le même minéral. La formation de lamelles est expliquée par le fait qu'un grenat préférera la même structure. Ces observations sont en accord avec la thermodynamique des solutions solides du grenat et permet d'expliquer les structures similaires observées dans des grenats provenant de lithologies différentes. Une étude de la distribution des tailles des grenats et une modélisation de la croissance a permis de mettre en évidence 2 mécanismes de croissance différents suivant la texture de la roche. Dans les 2 cas, la loi de nucléation est la même. Dans les roches litées, la loi de croissance est de forme R=kt½. Le transport des nutriments est le facteur limitant. Ce transport a lieu préférentiellement dans la direction des niveaux de schistosité. Les grenats ont une forme légèrement allongée car la croissance des secteurs est facilitée sur les niveaux de schistosité. La croissance des grenats dans les roches foliées suit une loi de croissance de la forme R=kt. Les seuls facteurs limitant la croissance sont les processus d'attachement à la surface du grenat. La loi de croissance de ces grenats est donc contrainte par la texture de la roche. Cela se marque par des différences dans la morphologie de la zonation sectorielle.

Application of low temperature thermochronology to understanding cooling and exhumation in the Central Swiss Alps

THESIS ABSTRACT : Low-temperature thermochronology relies on application of radioisotopic systems whose closure temperatures are below temperatures at which the dated phases are formed. In that sense, the results are interpreted as "cooling ages" in contrast to "formation ages". Owing to the low closure-temperatures, it is possible to reconstruct exhumation and cooling paths of rocks during their residence at shallow levels of the crust, i.e. within first ~10 km of depth. Processes occurring at these shallow depths such as final exhumation, faulting and relief formation are fundamental for evolution of the mountain belts. This thesis aims at reconstructing the tectono-thermal history of the Aar massif in the Central Swiss Alps by means of zircon (U-Th)/He, apatite (U-Th)/He and apatite fission track thermochronology. The strategy involved acquisition of a large number of samples from a wide range of elevations in the deeply incised Lötschen valley and a nearby NEAT tunnel. This unique location allowed to precisely constrain timing, amount and mechanisms of exhumation of the main orographic feature of the Central Alps, evaluate the role of topography on the thermochronological record and test the impact of hydrothermal activity. Samples were collected from altitudes ranging between 650 and 3930 m and were grouped into five vertical profiles on the surface and one horizontal in the tunnel. Where possible, all three radiometric systems were applied to each sample. Zircon (U-Th)/He ages range from 5.1 to 9.4 Ma and are generally positively correlated with altitude. Age-elevation plots reveal a distinct break in slope, which translates into exhumation rate increasing from ~0.4 to ~3 km/Ma at 6 Ma. This acceleration is independently confirmed by increased cooling rates on the order of 100°C/Ma constrained on the basis of age differences between the zircon (U-Th)/He and the remaining systems. Apatite fission track data also plot on a steep age-elevation curve indicating rapid exhumation until the end of the Miocene. The 6 Ma event is interpreted as reflecting tectonically driven uplift of the Aar massif. The late Miocene timing implies that the increase of precipitation in the Pliocene did not trigger rapid exhumation in the Aar massif. The Messinian salinity crisis in the Mediterranean could not directly intensify erosion of the Aar but associated erosional output from the entire Alps may have tapered the orogenic wedge and caused reactivation of thrusting in the Aar massif. The high exhumation rates in the Messinian were followed by a decrease to ~1.3 km/Ma as evidenced by ~8 km of exhumation during last 6 Ma. The slowing of exhumation is also apparent from apatite (U-Th)1He age-elevation data in the northern part of the Lötschen valley where they plot on a ~0.5km/Ma line and range from 2.4 to 6.4 Ma However, from the apatite (U-Th)/He and fission track data from the NEAT tunnel, there is an indication of a perturbation of the record. The apatite ages are youngest under the axis of the valley, in contrast to an expected pattern where they would be youngest in the deepest sections of the tunnel due to heat advection into ridges. The valley however, developed in relatively soft schists while the ridges are built of solid granitoids. In line with hydrological observations from the tunnel, we suggest that the relatively permeable rocks under the valley floor, served as conduits of geothermal fluids that caused reheating leading to partial Helium loss and fission track annealing in apatites. In consequence, apatite ages from the lowermost samples are too young and the calculated exhumation rates may underestimate true values. This study demonstrated that high-density sampling is indispensable to provide meaningful thermochronological data in the Alpine setting. The multi-system approach allows verifying plausibility of the data and highlighting sources of perturbation. RÉSUMÉ DE THÈSE : La thermochronologie de basse température dépend de l'utilisation de systèmes radiométriques dont la température de fermeture est nettement inférieure à la température de cristallisation du minéral. Les résultats obtenus sont par conséquent interprétés comme des âges de refroidissement qui diffèrent des âges de formation obtenus par le biais d'autres systèmes de datation. Grâce aux températures de refroidissement basses, il est aisé de reconstruire les chemins de refroidissement et d'exhumation des roches lors de leur résidence dans la croute superficielle (jusqu'à 10 km). Les processus qui entrent en jeu à ces faibles profondeurs tels que l'exhumation finale, la fracturation et le faillage ainsi que la formation du relief sont fondamentaux dans l'évolution des chaînes de montagne. Ces dernières années, il est devenu clair que l'enregistrement thermochronologique dans les orogènes peut être influencé par le relief et réinitialisé par l'advection de la chaleur liée à la circulation de fluides géothermaux après le refroidissement initial. L'objectif de cette thèse est de reconstruire l'histoire tectono-thermique du massif de l'Aar dans les Alpes suisses Centrales à l'aide de trois thermochronomètres; (U-Th)/He sur zircon, (U-Th)/He sur apatite et les traces de fission sur apatite. Afin d'atteindre cet objectif, nous avons récolté un grand nombre d'échantillons provenant de différentes altitudes dans la vallée fortement incisée de Lötschental ainsi que du tunnel de NEAT. Cette stratégie d'échantillonnage nous a permis de contraindre de manière précise la chronologie, les quantités et les mécanismes d'exhumation de cette zone des Alpes Centrales, d'évaluer le rôle de la topographie sur l'enregistrement thermochronologique et de tester l'impact de l'hydrothermalisme sur les géochronomètres. Les échantillons ont été prélevés à des altitudes comprises entre 650 et 3930m selon 5 profils verticaux en surface et un dans le tunnel. Quand cela à été possible, les trois systèmes radiométriques ont été appliqués aux échantillons. Les âges (U-Th)\He obtenus sur zircons sont compris entre 5.l et 9.4 Ma et sont corrélés de manière positive avec l'altitude. Les graphiques représentant l'âge et l'élévation montrent une nette rupture de la pente qui traduisent un accroissement de la vitesse d'exhumation de 0.4 à 3 km\Ma il y a 6 Ma. Cette accélération de l'exhumation est confirmée par les vitesses de refroidissement de l'ordre de 100°C\Ma obtenus à partir des différents âges sur zircons et à partir des autres systèmes géochronologiques. Les données obtenues par traces de fission sur apatite nous indiquent également une exhumation rapide jusqu'à la fin du Miocène. Nous interprétons cet évènement à 6 Ma comme étant lié à l'uplift tectonique du massif de l'Aar. Le fait que cet évènement soit tardi-miocène implique qu'une augmentation des précipitations au Pliocène n'a pas engendré cette exhumation rapide du massif de l'Aar. La crise Messinienne de la mer méditerranée n'a pas pu avoir une incidence directe sur l'érosion du massif de l'Aar mais l'érosion associée à ce phénomène à pu réduire le coin orogénique alpin et causer la réactivation des chevauchements du massif de l'Aar. L'exhumation rapide Miocène a été suivie pas une diminution des taux d'exhumation lors des derniers 6 Ma (jusqu'à 1.3 km\Ma). Cependant, les âges (U-Th)\He sur apatite ainsi que les traces de fission sur apatite des échantillons du tunnel enregistrent une perturbation de l'enregistrement décrit ci-dessus. Les âges obtenus sur les apatites sont sensiblement plus jeunes sous l'axe de la vallée en comparaison du profil d'âges attendus. En effet, on attendrait des âges plus jeunes sous les parties les plus profondes du tunnel à cause de l'advection de la chaleur dans les flancs de la vallée. La vallée est creusée dans des schistes alors que les flancs de celle-ci sont constitués de granitoïdes plus durs. En accord avec les observations hydrologiques du tunnel, nous suggérons que la perméabilité élevée des roches sous l'axe de la vallée à permi l'infiltration de fluides géothermaux qui a généré un réchauffement des roches. Ce réchauffement aurait donc induit une perte d'Hélium et un recuit des traces de fission dans les apatites. Ceci résulterait en un rajeunissement des âges apatite et en une sous-estimation des vitesses d'exhumation sous l'axe de la vallée. Cette étude à servi à démontrer la nécessité d'un échantillonnage fin et précis afin d'apporter des données thermochronologiques de qualité dans le contexte alpin. Cette approche multi-système nous a permi de contrôler la pertinence des données acquises ainsi que d'identifier les sources possibles d'erreurs lors d'études thermochronologiques. RÉSUMÉ LARGE PUBLIC Lors d'une orogenèse, les roches subissent un cycle comprenant une subduction, de la déformation, du métamorphisme et, finalement, un retour à la surface (ou exhumation). L'exhumation résulte de la déformation au sein de la zone de collision, menant à un raccourcissement et un apaissessement de l'édifice rocheux, qui se traduit par une remontée des roches, création d'une topographie et érosion. Puisque l'érosion agit comme un racloir sur la partie supérieure de l'édifice, des tentatives de corrélation entre les épisodes d'exhumation rapide et les périodes d'érosion intensive, dues aux changements climatiques, ont été effectuées. La connaissance de la chronologie et du lieu précis est d'une importance capitale pour une quelconque reconstruction de l'évolution d'une chaîne de montagne. Ces critères sont donnés par un retraçage des changements de la température de la roche en fonction du temps, nous donnant le taux de refroidissement. L'instant auquel les roches ont refroidit, passant une certaine température, est contraint par l'application de techniques de datation par radiométrie. Ces méthodes reposent sur la désintégration des isotopes radiogéniques, tels que l'uranium et le potassium, tous deux abondants dans les roches de la croûte terrestre. Les produits de cette désintégration ne sont pas retenus dans les minéraux hôtes jusqu'au moment du refroidissement de la roche sous une température appelée 'de fermeture' , spécifique à chaque système de datation. Par exemple, la désintégration radioactive des atomes d'uranium et de thorium produit des atomes d'hélium qui s'échappent d'un cristal de zircon à des températures supérieures à 200°C. En mesurant la teneur en uranium-parent, l'hélium accumulé et en connaissant le taux de désintégration, il est possible de calculer à quel moment la roche échantillonnée est passée sous la température de 200°C. Si le gradient géothermal est connu, les températures de fermeture peuvent être converties en profondeurs actuelles (p. ex. 200°C ≈ 7km), et le taux de refroidissement en taux d'exhumation. De plus, en datant par système radiométrique des échantillons espacés verticalement, il est possible de contraindre directement le taux d'exhumation de la section échantillonnée en observant les différences d'âges entre des échantillons voisins. Dans les Alpes suisses, le massif de l'Aar forme une structure orographique majeure. Avec des altitudes supérieures à 4000m et un relief spectaculaire de plus de 2000m, le massif domine la partie centrale de la chaîne de montagne. Les roches aujourd'hui exposées à la surface ont été enfouies à plus de 10 km de profond il y a 20 Ma, mais la topographie actuelle du massif de l'Aar semble surtout s'être développée par un soulèvement actif depuis quelques millions d'années, c'est-à-dire depuis le Néogène supérieur. Cette période comprend un changement climatique soudain ayant touché l'Europe il y a environ 5 Ma et qui a occasionné de fortes précipitations, entraînant certainement une augmentation de l'érosion et accélérant l'exhumation des Alpes. Dans cette étude, nous avons employé le système de datation (U-TH)/He sur zircon, dont la température de fermeture de 200°C est suffisamment basse pour caractériser l'exhumation du Néogène sup. /Pliocène. Les échantillons proviennent du Lötschental et du tunnel ferroviaire le plus profond du monde (NEAT) situé dans la partie ouest du massif de l'Aar. Considérés dans l'ensemble, ces échantillons se répartissent sur un dénivelé de 3000m et des âges de 5.1 à 9.4 Ma. Les échantillons d'altitude supérieure (et donc plus vieux) documentent un taux d'exhumation de 0.4 km/Ma jusqu'à il y a 6 Ma, alors que les échantillons situés les plus bas ont des âges similaires allant de 6 à 5.4 Ma, donnant un taux jusqu'à 3km /Ma. Ces données montrent une accélération dramatique de l'exhumation du massif de l'Aar il y a 6 Ma. L'exhumation miocène sup. du massif prédate donc le changement climatique Pliocène. Cependant, lors de la crise de salinité d'il y a 6-5.3 Ma (Messinien), le niveau de la mer Méditerranée est descendu de 3km. Un tel abaissement de la surface d'érosion peut avoir accéléré l'exhumation des Alpes, mais le bassin sud alpin était trop loin du massif de l'Aar pour influencer son érosion. Nous arrivons à la conclusion que la datation (U-Th)/He permet de contraindre précisément la chronologie et l'exhumation du massif de l'Aar. Concernant la dualité tectonique-érosion, nous suggérons que, dans le cas du massif de l'Aar, la tectonique prédomine.

Metamorphism and kinetics in the Torres del Paine contact aureole

Contact aureoles provide an excellent geologic environment to study the mechanisms of metamorphic reactions in a natural system. The Torres del Paine (TP) intrusion is one of the most spectacular natural laboratories because of its excellent outcrop conditions. It formed in a period from 12.59 to 12.43 Ma and consists of three large granite and four smaller mafic batches. The oldest granite is on top, the youngest at the bottom of the granitic complex, and the granites overly the mafic laccolith. The TP intruded at a depth of 2-3 km into regional metamorphic anchizone to greenschist facies pelites, sandstones, and conglomerates of the Cerro Toro and Punta Barrosa formations. It formed a thin contact aureole of 150-400 m width. This thesis focuses on the reaction kinetics of the mineral cordierite in the contact aureole using quantitative textural analysis methods. First cordierite was formed from chlorite break¬down (zone I, ca. 480 °C, 750 bar). The second cordierite forming reaction was the muscovite break-down, which is accompanied by a modal decrease in biotite and the appearance of k- feldspar (zone II, 540-550 °C, 750 bar). Crystal sizes of the roundish, poikiloblastic cordierites were determined from microscope thin section images by manually marking each crystal. Images were then automatically processed with Matlab. The correction for the intersection probability of each crystal radius yields the crystal size distribution in the rock. Samples from zone I below the laccolith have the largest crystals (0.09 mm). Cordierites from zone II are smaller, with a maximum crystal radius of 0.057 mm. Rocks from zone II have a larger number of small cordierite crystals than rocks from zone I. A combination of these quantitative analysis with numerical modeling of nucleation and growth, is used to infer nucleation and growth parameters which are responsible for the observed mineral textures. For this, the temperature-time paths of the samples need to be known. The thermal history is complex because the main body of the intrusion was formed by several intrusive batches. The emplacement mechanism and duration of each batch can influence the thermal structure in the aureole. A possible subdivision of batches in smaller increments, so called pulses, will focus heat at the side of the intrusion. Focusing all pulses on one side increases the contact aureole size on that side, but decreases it on the other side. It forms a strongly asymmetric contact aureole. Detailed modeling shows that the relative thicknesses of the TP contact aureole above and below the intrusion (150 and 400 m) are best explained by a rapid emplacement of at least the oldest granite batch. Nevertheless, temperatures are significantly too low in all models, compared to observed mineral assemblages in the hornfelses. Hence, an other important thermal mechanisms needs to take place in the host rock. Clastic minerals in the immature sediments outside the contact aureole are hydrated due to small amounts of expelled fluids during contact metamorphism. This leads to a temperature increase of up to 50 °C. The origin of fluids can be traced by stable isotopes. Whole rock stable isotope data (6D and δ180) and chlorine concentrations in biotite document that the TP intrusion induced only very small amounts of fluid flow. Oxygen whole rock data show δ180 values between 9.0 and 10.0 %o within the first 5 m of the contact. Values increase to 13.0 - 15.0 %o further away from the intrusion. Whole rock 6D values display a more complex zoning. First, host rock values (-90 to -70 %o) smoothly decrease towards the contact by ca. 20 %o, up to a distance of ca. 150 m. This is followed by an increase of ca. 20 %o within the innermost 150 m of the aureole (-97.0 to -78 %o at the contact). The initial decrease in 6D values is interpreted to be due to Rayleigh fractionation accompanying the dehydration reactions forming cordierite, while the final increase reflects infiltration of water-rich fluids from the intrusion. An over-estimate on the quantity and the corresponding thermal effect yields a temperature increase of less than 30 °C. This suggests that fluid flow might have contributed only for a small amount to the thermal evolution of the system. A combination of the numerical growth model with the thermal model, including the hydration reaction enthalpies but neglecting fluid flow and incremental growth, can be used to numerically reproduce the observed cordierite textures in the contact aureole. This yields kinetic parameters which indicate fast cordierite crystallization before the thermal peak in the inner aureole, and continued reaction after the thermal peak in the outermost aureole. Only small temperature dependencies of the kinetic parameters seem to be needed to explain the obtained crystal size data. - Les auréoles de contact offrent un cadre géologique privilégié pour l'étude des mécanismes de réactions métamorphiques associés à la mise en place de magmas dans la croûte terrestre. Par ses conditions d'affleurements excellentes, l'intrusion de Torres del Paine représente un site exceptionnel pour améliorer nos connaissances de ces processus. La formation de cette intrusion composée de trois injections granitiques principales et de quatre injections mafiques de volume inférieur couvre une période allant de 12.50 à 12.43 Ma. Le plus vieux granite forme la partie sommitale de l'intrusion alors que l'injection la plus jeune s'observe à la base du complexe granitique; les granites recouvrent la partie mafique du laccolite. L'intrusion du Torres del Paine s'est mise en place a 2-3 km de profondeur dans un encaissant métamorphique. Cet encaissant est caractérisé par un métamorphisme régional de faciès anchizonal à schiste vert et est composé de pélites, de grès, et des conglomérats des formations du Cerro Toro et Punta Barrosa. La mise en place des différentes injections granitiques a généré une auréole de contact de 150-400 m d'épaisseur autour de l'intrusion. Cette thèse se concentre sur la cinétique de réaction associée à la formation de la cordiérite dans les auréoles de contact en utilisant des méthodes quantitatives d'analyses de texture. On observe plusieurs générations de cordiérite dans l'auréole de contact. La première cordiérite est formée par la décomposition de la chlorite (zone I, environ 480 °C, 750 bar), alors qu'une seconde génération de cordiérite est associée à la décomposition de la muscovite, laquelle est accompagnée par une diminution modale de la teneur en biotite et l'apparition de feldspath potassique (zone II, 540-550 °C, 750 bar). Les tailles des cristaux de cordiérites arrondies et blastic ont été déterminées en utilisant des images digitalisées des lames minces et en marquant individuellement chaque cristal. Les images sont ensuite traitées automatiquement à l'aide du programme Matlab. La correction de la probabilité d'intersection en fonction du rayon des cristaux permet de déterminer la distribution de la taille des cristaux dans la roche. Les échantillons de la zone I, en dessous du lacolite, sont caractérisés par de relativement grands cristaux (0.09 mm). Les cristaux de cordiérite de la zone II sont plus petits, avec un rayon maximal de 0.057 mm. Les roches de la zone II présentent un plus grand nombre de petits cristaux de cordiérite que les roches de la zone I. Une combinaison de ces analyses quantitatives avec un modèle numérique de nucléation et croissance a été utilisée pour déduire les paramètres de nucléation et croissance contrôlant les différentes textures minérales observées. Pour développer le modèle de nucléation et de croissance, il est nécessaire de connaître le chemin température - temps des échantillons. L'histoire thermique est complexe parce que l'intrusion est produite par plusieurs injections successives. En effet, le mécanisme d'emplace¬ment et la durée de chaque injection peuvent influencer la structure thermique dans l'auréole. Une subdivision des injections en plus petits incréments, appelés puises, permet de concentrer la chaleur dans les bords de l'intrusion. Une mise en place préférentielle de ces puises sur un côté de l'intrusion modifie l'apport thermique et influence la taille de l'auréole de contact produite, auréole qui devient asymétrique. Dans le cas de la première injection de granite, une modélisation détaillée montre que l'épaisseur relative de l'auréole de contact de Torres del Paine au-dessus et en dessous de l'intrusion (150 et 400 m) est mieux expliquée par un emplacement rapide du granite. Néanmoins, les températures calculées dans l'auréole de con¬tact sont trop basses pour que les modèles thermiques soient cohérants par rapport à la taille de cette auréole. Ainsi, un autre mecanisme exothermique est nécessaire pour permettre à la roche encais¬sante de produire les assemblages observés. L'observation des roches encaissantes entourant les granites montre que les minéraux clastiques dans les sédiments immatures au-dehors de l'auréole sont hydratés suite à la petite quantité de fluide expulsée durant le métamorphisme de contact et/ou la mise en place des granites. Les réactions d'hydratation peuvent permettre une augmentation de la température jusqu'à 50 °C. Afin de déterminer l'origine des fluides, une étude isotopique de roches de l'auréole de contact a été entreprise. Les isotopes stables d'oxygène et d'hydrogène sur la roche totale ainsi que la concentration en chlore dans la biotite indiquent que la mise en place des granites du Torres del Paine n'induit qu'une circulation de fluide limitée. Les données d'oxygène sur roche totale montrent des valeurs δ180 entre 9.0 et 10.0%o au sein des cinq premiers mètres du contact. Les valeurs augmentent jusqu'à 13.0 - 15.0 plus on s'éloigne de l'intrusion. Les valeurs 5D sur roche totale montrent une zonation plus complexe. Les valeurs de la roche encaissante (-90 à -70%o) diminuent progressivement d'environ 20%o depuis l'extérieur de l'auréole jusqu'à une distance d'environ 150 m du granite. Cette diminution est suivie par une augmentation d'environ 20%o au sein des 150 mètres les plus proches du contact (-97.0 à -78%o au contact). La diminution initiale des valeurs de 6D est interprétée comme la conséquence du fractionnement de Rayleigh qui accompagne les réactions de déshydratation formant la cordiérite, alors que l'augmentation finale reflète l'infiltration de fluide riche en eau venant de l'intrusion. A partir de ces résultats, le volume du fluide issu du granite ainsi que son effet thermique a pu être estimé. Ces résultats montrent que l'augmentation de température associée à ces fluides est limitée à un maximum de 30 °C. La contribution de ces fluides dans le bilan thermique est donc faible. Ces différents résultats nous ont permis de créer un modèle thermique associé à la for¬mation de l'auréole de contact qui intègre la mise en place rapide du granite et les réactions d'hydratation lors du métamorphisme. L'intégration de ce modèle thermique dans le modèle numérique de croissance minérale nous permet de calculer les textures des cordiérites. Cepen¬dant, ce modèle est dépendant de la vitesse de croissance et de nucléation de ces cordiérites. Nous avons obtenu ces paramètres en comparant les textures prédites par le modèle et les textures observées dans les roches de l'auréole de contact du Torres del Paine. Les paramètres cinétiques extraits du modèle optimisé indiquent une cristallisation rapide de la cordiérite avant le pic thermique dans la partie interne de l'auréole, et une réaction continue après le pic thermique dans la partie la plus externe de l'auréole. Seules de petites dépendances de température des paramètres de cinétique semblent être nécessaires pour expliquer les don¬nées obtenues sur la distribution des tailles de cristaux. Ces résultats apportent un éclairage nouveau sur la cinétique qui contrôle les réactions métamorphiques.

Nucleation and growth of metamorphic minerals in contact aureoles

THESIS ABSTRACT Nucleation and growth of metamorphic minerals are the consequence of changing P-T-X-conditions. The thesis presented here focuses on processes governing nucleation and growth of minerals in contact metamorphic environments using a combination of geochemical analytics (chemical-, isotope-, and trace element composition), statistical treatments of spatial data, and numerical models. It is shown, that a combination of textural modeling and stable isotope analysis allows a distinction between several possible reaction paths for olivine growth in a siliceous dolomite contact aureole. It is suggested that olivine forms directly from dolomite and quartz. The formation of olivine from this metastable reaction implies metamorphic crystallization far from equilibrium. As a major consequence, the spatial distribution of metamorphic mineral assemblages in a contact aureole cannot be interpreted as a proxy for the temporal evolution of a single rock specimen, because each rock undergoes a different reaction path, depending on temperature, heating rate, and fluid-infiltration rate. A detailed calcite-dolomite thermometry study was initiated on multiple scales ranging from aureole scale to the size of individual crystals. Quantitative forward models were developed to evaluate the effect of growth zoning, volume diffusion and the formation of submicroscopic exsolution lamellae (<1 µm) on the measured Mg-distribution in individual calcite crystals and compare the modeling results to field data. This study concludes that Mg-distributions in calcite grains of the Ubehebe Peak contact aureole are the consequence of rapid crystal growth in combination with diffusion and exsolution. The crystallization history of a rock is recorded in the chemical composition, the size and the distribution of its minerals. Near the Cima Uzza summit, located in the southern Adamello massif (Italy), contact metamorphic brucite bearing dolomite marbles are exposed as xenoliths surrounded by mafic intrusive rocks. Brucite is formed retrograde pseudomorphing spherical periclase crystals. Crystal size distributions (CSD's) of brucite pseudomorphs are presented for two profiles and combined with geochemistry data and petrological information. Textural analyses are combined with geochemistry data in a qualitative model that describes the formation periclase. As a major outcome, this expands the potential use of CSD's to systems of mineral formation driven by fluid-infiltration. RESUME DE LA THESE La nucléation et la croissance des minéraux métamorphiques sont la conséquence de changements des conditions de pression, température et composition chimique du système (PT-X). Cette thèse s'intéresse aux processus gouvernant la nucléation et la croissance des minéraux au cours d'un épisode de métamorphisme de contact, en utilisant la géochimie analytique (composition chimique, isotopique et en éléments traces), le traitement statistique des données spatiales et la modélisation numérique. Il est montré que la combinaison d'un modèle textural avec des analyses en isotopes stables permet de distinguer plusieurs chemins de réactions possibles conduisant à la croissance de l'olivine dans une auréole de contact riche en Silice et dolomite. Il est suggéré que l'olivine se forme directement à partir de la dolomie et du quartz. Cette réaction métastable de formation de l'olivine implique une cristallisation métamorphique loin de l'équilibre. La principale conséquence est que la distribution spatiale des assemblages de minéraux métamorphiques dans une auréole de contact ne peut pas être considérée comme un témoin de l'évolution temporelle d'un type de roche donné, puisque chaque type de roche suit différents chemins de réactions, en fonction de la température, la vitesse de réchauffement et le taux d'infiltration du fluide. Une étude thermométrique calcite-dolomite détaillée a été réalisée à diverses échelles, depuis l'échelle de l'auréole de contact jusqu'à l'échelle du cristal. Des modèles numériques quantitatifs ont été développés pour évaluer l'effet des zonations de croissance, de la diffusion volumique et de la formation de lamelles d'exsolution submicroscopiques (<1µm) sur la distribution du magnésium mesuré dans des cristaux de calcite individuels. Les résultats de ce modèle ont été comparés ä des échantillons naturels. Cette étude montre que la distribution du Mg dans les grains de calcite de l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak (USA) résulte d'une croissance cristalline rapide, associée aux processus de diffusion et d'exsolution. L'histoire de cristallisation d'une roche est enregistrée dans la composition chimique, la taille et la distribution de ses minéraux. Près du sommet Cima Uzza situé au sud du massif d'Adamello (Italie), des marbres dolomitiques à brucite du métamorphisme de contact forment des xénolithes dans une intrusion mafique. La brucite constitue des pseudomorphes rétrogrades du périclase. Les distributions de taille des cristaux (CSD) des pseudomorphes de brucite sont présentées pour deux profiles et sont combinées aux données géochimiques et pétrologiques. Les analyses textorales sont combinées aux données géochimiques dans un modèle qualitatif qui décrit la formation du périclase. Ceci élargit l'utilisation potentielle de la C5D aux systèmes de formation de minéraux controlés par les infiltrations fluides. THESIS ABSTRACT (GENERAL PUBLIC) Rock textures are essentially the result of a complex interaction of nucleation, growth and deformation as a function of changing physical conditions such as pressure and temperature. Igneous and metamorphic textures are especially attractive to study the different mechanisms of texture formation since most of the parameters like pressure-temperature-paths are quite well known for a variety of geological settings. The fact that textures are supposed to record the crystallization history of a rock traditionally allowed them to be used for geothermobarometry or dating. During the last decades the focus of metamorphic petrology changed from a static point of view, i.e. the representation of a texture as one single point in the petrogenetic grid towards a more dynamic view, where multiple metamorphic processes govern the texture formation, including non-equilibrium processes. This thesis tries to advance our understanding on the processes governing nucleation and growth of minerals in contact metamorphic environments and their dynamic interplay by using a combination of geochemical analyses (chemical-, isotope-, and trace element composition), statistical treatments of spatial data and numerical models. In a first part the thesis describes the formation of metamorphic olivine porphyroblast in the Ubehebe Peak contact aureole (USA). It is shown that not the commonly assumed succession of equilibrium reactions along a T-t-path formed the textures present in the rocks today, but rather the presence of a meta-stable reaction is responsible for forming the olivine porphyroblast. Consequently, the spatial distribution of metamorphic minerals within a contact aureole can no longer be regarded as a proxy for the temporal evolution of a single rock sample. Metamorphic peak temperatures for samples of the Ubehebe Peak contact aureole were determined using calcite-dolomite. This geothermometer is based on the temperature-dependent exchange of Mg between calcite and dolomite. The purpose of the second part of this thesis was to explain the interfering systematic scatter of measured Mg-content on different scales and thus to clarify the interpretation of metamorphic temperatures recorded in carbonates. Numerical quantitative forward models are used to evaluate the effect of several processes on the distribution of magnesium in individual calcite crystals and the modeling results were then compared to measured field. Information about the crystallization history is not only recorded in the chemical composition of grains, like isotope composition or mineral zoning. Crystal size distributions (CSD's) provide essential information about the complex interaction of nucleation and growth of minerals. CSD's of brucite pseudomorphs formed retrograde after periclase of the southern Adamello massif (Italy) are presented. A combination of the textural 3D-information with geochemistry data is then used to evaluate reaction kinetics and to constrain the actual reaction mechanism for the formation of periclase. The reaction is shown to be the consequence of the infiltration of a limited amount of a fluid phase at high temperatures. The composition of this fluid phase is in large disequilibrium with the rest of the rock resulting in very fast reaction rates. RESUME DE LA THESE POUR LE GRAND PUBLIC: La texture d'une roche résulte de l'interaction complexe entre les processus de nucléation, croissance et déformation, en fonction des variations de conditions physiques telles que la pression et la température. Les textures ignées et métamorphiques présentent un intérêt particulier pour l'étude des différents mécanismes à l'origine de ces textures, puisque la plupart des paramètres comme les chemin pression-température sont relativement bien contraints dans la plupart des environnements géologiques. Le fait que les textures soient supposées enregistrer l'histoire de cristallisation des roches permet leur utilisation pour la datation et la géothermobarométrie. Durant les dernières décennies, la recherche en pétrologie métamorphique a évolué depuis une visualisation statique, c'est-à-dire qu'une texture donnée correspondait à un point unique de la grille pétrogénétique, jusqu'à une visualisation plus dynamique, où les multiples processus métamorphiques qui gouvernent 1a formation d'une texture incluent des processus hors équilibre. Cette thèse a pour but d'améliorer les connaissances actuelles sur les processus gouvernant la nucléation et la croissance des minéraux lors d'épisodes de métamorphisme de contact et l'interaction dynamique existant entre nucléation et croissance. Pour cela, les analyses géochimiques (compositions chimiques en éléments majeurs et traces et composition isotopique), le traitement statistique des données spatiales et la modélisation numérique ont été combinés. Dans la première partie, cette thèse décrit la formation de porphyroblastes d'olivine métamorphique dans l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak (USA). Il est montré que la succession généralement admise des réactions d'équilibre le long d'un chemin T-t ne peut pas expliquer les textures présentes dans les roches aujourd'hui. Cette thèse montre qu'il s'agirait plutôt d'une réaction métastable qui soit responsable de la formation des porphyroblastes d'olivine. En conséquence, la distribution spatiale des minéraux métamorphiques dans l'auréole de contact ne peut plus être interprétée comme le témoin de l'évolution temporelle d'un échantillon unique de roche. Les pics de température des échantillons de l'auréole de contact de l'Ubehebe Peak ont été déterminés grâce au géothermomètre calcite-dolomite. Celui-ci est basé sur l'échange du magnésium entre la calcite et la dolomite, qui est fonction de la température. Le but de la deuxième partie de cette thèse est d'expliquer la dispersion systématique de la composition en magnésium à différentes échelles, et ainsi d'améliorer l'interprétation des températures du métamorphisme enregistrées dans les carbonates. Des modèles numériques quantitatifs ont permis d'évaluer le rôle de différents processus sur la distribution du magnésium dans des cristaux de calcite individuels. Les résultats des modèles ont été comparés aux échantillons naturels. La composition chimique des grains, comme la composition isotopique ou la zonation minérale, n'est pas le seul témoin de l'histoire de la cristallisation. La distribution de la taille des cristaux (CSD) fournit des informations essentielles sur les interactions entre nucléation et croissance des minéraux. La CSD des pseudomorphes de brucite retrograde formés après le périclase dans le sud du massif Adamello (Italie) est présentée dans la troisième partie. La combinaison entre les données textorales en trois dimensions et les données géochimiques a permis d'évaluer les cinétiques de réaction et de contraindre les mécanismes conduisant à la formation du périclase. Cette réaction est présentée comme étant la conséquence de l'infiltration d'une quantité limitée d'une phase fluide à haute température. La composition de cette phase fluide est en grand déséquilibre avec le reste de la roche, ce qui permet des cinétiques de réactions très rapides.

Geometry, petrology and growth of a shallow crustal laccolith : the Torres del Paine Mafic Complex (Patagonia)

1. ABSTRACTS - RÉSUMÉSSCIENTIFIC ABSTRACT - ENGLISH VERSIONGeometry, petrology and growth of a shallow crustal laccolith: the Torres del Paine Mafi c Complex (Patagonia)The Torres del Paine intrusive complex (TPIC) is a composite mafic-granitic intrusion, ~70km2, belonging to a chain of isolated Miocene plutons in southern Patagonia. Their position is intermediate between the Mesozoic-Cenozoic calc-alkaline subduction related Patagonian batholith in the West and the late Cenozoic alkaline basaltic back-arc related plateau lavas in the East. The Torres del Paine complex formed during an important reconfiguration of the Patagonian geodynamic setting, with a migration of magmatism from the arc to the back-arc, possibly related to the Chile ridge subductionThe complex intruded the flysch of the Cretaceous Cerro Toro and Punta Barrosa Formations during the Miocene, creating a well-defined narrow contact aureole of 200-400 m width.In its eastern part, the Torres del Paine intrusive complex is a laccolith, composed of a succession of hornblende-gabbro to diorite sills at its base, with a total thickness of ~250m, showing brittle contacts with the overlying granitic sills, that form spectacular cliffs of more than 1000m. This laccolith is connected, in the western part, to its feeding system, with vertical alternating sheets of layered gabbronorite and Hbl-gabbro, surrounded and percolated by diorites. ID-TIMS U-Pb on zircons on feeder zone (FZ) gab- bros yield 12.593±0.009Ma and 12.587±0.009Ma, which is identifcal within error to the oldest granite dated so far by Michel et al. (2008). In contrast, the laccolith mafic complex is younger than than the youngest granite (12.50±0.02Ma), and has been emplaced from 12.472±0.009Ma to 12.431 ±0.006Ma, by under-accretion beneath the youngest granite at the interface with previously emplaced mafic sills.The gabbronorite crystallization sequence in the feeder zone is dominated by olivine, plagioclase, clinopyroxene and orthopyroxene, while amphibole forms late interstitial crystals. The crystallization sequence is identical in Hornblende-gabbro from the feeder zone, with higher modal hornblende. Gabbronorite and Hornblende-gabbro both display distinct Eu and Sr positive anomalies. In the laccolith, a lower Hornblende-gabbro crystallized in sills and evolved to a high alkali shoshonitic series. The Al203, Ti02, Na20, K20, Ba and Sr composition of these gabbros is highly variable and increases up to ~50wt% Si02. The lower hornblende-gabbro is characterized by kaersutite anhedral cores with inclusions of olivine, clino- and orthopyroxene and rare apatite and An70 plagioclase. Trace element modelling indicates that hornblende and clinopyroxene are in equilibrium with a liquid whose composition is similar to late basaltic trachyandesitic dikes that cut the complex. The matrix in the lower hornblende gabbro is composed of normally zoned oligoclase, Magnesio-hornblende, biotite, ilmenite and rare quartz and potassium feldspar. This assemblage crystallized in-situ from a Ba and Sr-depleted melts. In contrast, the upper Hbl-gabbro is high-K calc-alkaline. Poikilitic pargasite cores have inclusions of euhedral An70 plagioclase inclusions, and contain occasionally clinopyroxene, olivine and orthopyroxene. The matrix composition is identical to the lower hornblende-gabbro and similar to the diorite. Diorite bulk rock compositions show the same mineralogy but different modal proportions relative to hornblende-gabbrosThe Torres del Paine Intrusive Complex isotopic composition is 87Sr/86Sr=0.704, 143Nd/144Nd=0.5127, 206Pb/204Pb=18.70 and 207Pb/204Pb=15.65. Differentiated dioritic and granitic units may be linked to the gabbroic cumulates series, with 20-50% trapped interstitial melt, through fractionation of olivine-bearing gabbronorite or hornblende-gabbro fractionation The relative homogeneity of the isotopic compositions indicate that only small amounts of assimilation occurred. Two-pyroxenes thermometry, clinopyroxene barometry and amphibole-plagioclase thermometry was used to estimate pressure and temperature conditions. The early fractionation of ultramafic cumulates occurs at mid to lower crustal conditions, at temperatures exceeding 900°C. In contrast, the TPIC emplacement conditions have been estimated to ~0.7±0.5kbar and 790±60°C.Based on field and microtextural observations and geochemical modelling, fractionation of basaltic-trachyandesitic liquids at intermediate to lower crustal levels, has led to the formation of the Torres del Paine granites. Repetitive replenishment of basaltic trachy- andesitic liquid in crustal reservoirs led to mixed magmas that will ascend via the feeder zone, and crystallize into a laccolith, in the form of successive dioritic and gabbroic sills. Dynamic fractionation during emplacement concentrated hornblende rich cumulates in the center of individual sills. Variable degrees.of post-emplacement compaction led to the expulsion of felsic liquids that preferentially concentrated at the top of the sills. Incremental sills amalgamation of the entire Torres del Paine Intrusive Complex has lasted for ~160ka.RESUME SCIENTIFIQUE - VERSION FRANÇAISEGéométrie, pétrologie et croissance d'un laccolite peu profond : Le complexe ma- fique du Torres del Paine (Patagonie)Le Complexe Intrusif du Torres del Paine (CITP) est une intrusion bimodale, d'environ 70km2, appartenant à une chaîne de plutons Miocènes isolés, dans le sud de la Patago-nie. Leur position est intermédiaire entre le batholite patagonien calco-alcalin, à l'Ouest, mis en place au Mesozoïque-Cenozoïque dans un contexte de subduction, et les basal-tes andésitiques et trachybasaltes alcalins de plateau, plus jeune, à l'Est, lié à l'ouverture d'un arrière-arc.A son extrémité Est, le CITP est une succession de sills de gabbro à Hbl et de diorite, sur une épaisseur de ~250m, avec des évidences de mélange. Les contacts avec les sills de granite au-dessus, formant des parois de plus de 1000m, sont cassants. Ce laccolite est connecté, dans sa partie Ouest, à une zone d'alimentation, avec des intrusions sub-ver- ticales de gabbronorite litée et de gabbro à Hbl, en alternance. Celles-ci sont traversées et entourées par des diorites. Les zircons des gabbros de la zone d'alimentation, datés par ID-TIMS, ont cristallisés à 12.593±0.009Ma et 12.587±0.009Ma, ce qui correspond au plus vieux granite daté à ce jour par Michel et al. (2008). A l'inverse, les roches manques du laccolite se sont mises en place entre 12.472±0.009Ma et 12.431 ±0.006Ma, par sous-plaquage successifs à l'interface avec le granite le plus jeune daté à ce jour (12.50±0.02Ma).La séquence de cristallisation des gabbronorites est dominée par Ol, Plg, Cpx et Opx, alors que la Hbl est un cristal interstitiel. Elle est identique dans les gabbros à Hbl de la zone d'alimentation, avec ~30%vol de Hbl. Les gabbros de la zone d'alimentation montrent des anomalies positives en Eu et Sr distinctes. Dans le laccolite, le gabbro à Hbl inférieur évolue le long d'une série shoshonitique, riche en éléments incompatibles. Sa concentration en Al203, Ti02, Na20, K20, Ba et Sr est très variable et augmente rapide-ment jusqu'à ~50wt% Si02. Il est caractérisé par la présence de coeurs résorbés de kaer- sutite, entourés de Bt, et contenant des inclusions d'OI, Cpx et Opx, ou alors d'Ap et de rares Plg (An70). Hbl et Cpx ont cristallisés à partir d'un liquide de composition similaire aux dykes trachy-andesite basaltique du CITP. La matrice, cristallisée in-situ à partir d'un liquide pauvre en Ba et Sr, est composée d'oligoclase zoné de façon simple, de Mg-Hbl, Bt, llm ainsi que de rares Qtz et KF. Le gabbro à Hbl supérieur, quant à lui, appartient à une suite chimique calco-alcaline riche en K. Des coeurs poecilitiques de pargasite con-tiennent de nombreuses inclusions de Plg (An70) automorphe, ainsi que des Ol, Cpx et Opx. La composition de la matrice est identique à celle des gabbros à Hbl inférieurs et toutes deux sont similaires à la minéralogie des diorites. Les analyses sur roches totales de diorites montrent la même variabilité que celles de gabbros à Hbl, mais avec une ten-eur en Si02 plus élevée.La composition isotopique des liquides primitifs du CITP a été mesurée à 87Sr/86Sr=0.704, 143Nd/144Nd=0.5127, 206Pb/204Pb=18.70 et 207Pb/204Pb=15.65. Les granites et diorites différenciés peuvent être reliés à des cumulais gabbronoritiques (F=0.74 pour les granites et F=1-0.5 pour les diorites) et gabbroïques à Hbl (fractionnement supplémentaire pour les granites, avec F=0.3). La cristallisation de 20 à 50%vol de liquide interstitiel piégé dans les gabbros du CITP explique leur signature géochimique. Seules de faibles quantités de croûte continentale ont été assimilées. La température et la pression de fractionnement ont été estimées, sur la base des thermobaromètres Opx-Cpx, Hbl-Plg et Cpx, à plus de 900°C et une profondeur correspondant à la croûte inférieure-moyenne. A l'inverse, les conditions de cristallisation de la matrice des gabbros et diorites du laccolite ont été estimées à 790±60°C et ~0.7±0.5kbar.Je propose que les liquides felsiques du CITP se soient formés par cristallisation frac-tionnée en profondeur des assemblages minéralogiques observés dans les gabbros du CITP, à partir d'un liquide trachy-andesite basaltique. La percolation de magma dans les cristaux accumulés permet la remontée du mélange à travers la zone d'alimentation, vers le laccolite, où des sills se mettent en place successivement. L'amalgamation de sills dans le CITP a duré ~160ka.Le CITP s'est formé durant une reconfiguration importante du contexte géodynamique en Patagonie, avec un changement du magmatisme d'arc vers un volcanisme d'arrière- arc. Ce changement est certainement lié à la subduction de la ride du Chili.RESUME GRAND PUBLIC - VERSION FRANÇAISEGéométrie, pétrologie et croissance d'une chambre magmatique peu profonde : Le complexe mafique du Torres del Paine (Patagonie)Le pourtour de l'Océan Pacifique est caractérisé par une zone de convergence de plaques tectoniques, appelée zone de subduction, avec le plongement de croûte océa-nique sous les Andes dans le cas de la Patagonie. De nombreux volcans y sont associés, formant la ceinture de feu. Mais seuls quelques pourcents de tout le magma traversant la croûte terrestre parviennent à la surface et la majeure partie cristallise en profondeur, dans des chambres magmatiques. Quelles est leur forme, croissance, cristallisation et durée de vie ? Le complexe magmatique du Torres del Paine représente l'un des meilleurs endroits au monde pour répondre à ces questions. Il se situe au sud de la Patagonie, formant un massif de 70km2. Des réponses peuvent être trouvées à différentes échelles, variant de la montagne à des minéraux de quelques 1000ème de millimètres.Il est possible de distinguer trois types de roches : des gabbros et des diorites sur une épaisseur de 250m, surmontées par des parois de granite de plus de 1000m. Les contacts entre ces roches sont tous horizontaux. Entre granites et gabbro-diorite, le contact est net, indiquant que le second magma s'est mis en place au contact avec un magma plus ancien, totalement solidifié. Entre gabbros et diorites, les contacts sont diffus, souvent non-linéaires, indiquant à l'inverse la mise en contact de magmas encore partiellement liquides. Dans la partie Ouest de cette chambre magmatique, les contacts entre roches sont verticaux. Il s'agit certainement du lieu de remplissage de la chambre magmatique.Lors du refroidissement d'un magma, différents cristaux vont se former. Leur stabilité et leur composition varient en fonction de la pression, de la température ou de la chimie du magma. La séquence de cristallisation peut être définie sur la base d'observations microscopiques et de la composition chimique des minéraux. Différents gabbros sont ainsi distingués : le gabbro à la base est riche en hornblende, d'une taille de ~5mm, sans inclusion de plagioclase mais avec des cristaux d'olivine, clinopyroxene et orthopyroxene inclus ; le gabbro supérieur est lui-aussi riche en hornblende (~5mm), avec les mêmes inclusions additionnées de plagioclase. Ces cristaux se sont formés à une température supérieure à 900°C et une profondeur correspondant à la croûte moyenne ou inférieure. Les minéraux plus fin, se trouvant hors des cristaux de hornblende des deux gabbros, sont similaires à ceux des diorites : plagioclase, biotite, hornblende, apatite, quartz et feldspath alcalin. Ces minéraux sont caractéristiques des granites. Ils ont cristallisé à ~790°C et ~2km de profondeur.La cristallisation des minéraux et leur extraction du magma par gravité provoque un changement progressif de la composition de ce dernier. Ainsi, après extraction d'olivine et d'orthopyroxene riches en Mg, de clinopyroxene riche en Ca, de plagioclase riche en Ca et Al et d'hornblende riche en Ca, Al et Mg, le liquide final sera appauvri en ces élé-ments. Un lien peut ainsi être proposé entre les diorites dont la composition est proche du liquide de départ, les granites dont la composition est similaire au liquide final, et les gabbros dont la minéralogie correspond aux minéraux extraits.L'utilisation de zircons, un minéral riche en U dont les atomes se transforment en Pb par décomposition radioactive au cours de millions d'années, permet de dater le refroidissement des roches qui les contiennent. Ainsi, il a été observé que les roches de la zone d'alimentation, à l'Ouest du complexe magmatique, ont cristallisés il y a 12.59±0.01 Ma, en même temps que les granites les plus vieux, se trouvant au sommet de la chambre magmatique, datés par Michel et al. (2008). Les deux roches pourraient donc avoir la même origine. A l'inverse, les gabbros et diorites de la chambre magmatique ont cristallisé entre 12.47±0.01Ma et 12.43±0.01Ma, les roches les plus vieilles étant à la base.En comparant la composition des roches du Torres del Paine avec celles d'autres en-tités géologiques de Patagonie, les causes du magmatisme peuvent être recherchées. A l'Ouest, on trouve en effet des intrusions granitiques, plus anciennes, caractéristiques de zones de convergence de plaque tectonique, alors qu'à l'Est, des laves basaltiques plus jeunes sont caractéristiques d'une dynamique d'extension. Sur la base des compositions chimiques des roches de ces différentes entités, l'évolution progressive de l'une à l'autre a pu être démontrée. Elle est certainement due à l'arrivée d'une dorsale océanique (zone d'extension crustale et de création de croûte océanique par la remontée de magma) dans la zone de subduction, le long des Andes.Je propose que, dans un premier temps, des magmas granitiques sont remontés dans la chambre magmatique, laissant d'importants volumes de cristaux dans la croûte pro-fonde. Dans un second épisode, les cristaux formés en profondeur ont été transportés à travers la croûte continentale, suite au mélange avec un nouveau magma injecté. Ces magmas chargés de cristaux ont traversé la zone d'alimentation avant de s'injecter dans la chambre magmatique. Différents puises ont été distingués, injectés dans la chambre magmatique du sommet à la base concernant les granites, puis à la base du granite le plus jeune pour les gabbros et diorites. Le complexe magmatique du Torres del Paine s'est construit sur une période totale de 160'000±20'000 ans.

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.

Mechanisms of garnet growth in eclogites of the Zermatt-Saas Fee unit, Western Alps

THESIS ABSTRACT Garnets are one of the key metamorphic minerals used to study peak metamorphic conditions or crystallization ages. Equilibrium is typically assumed between the garnet and the matrix. This thesis attempts to understand garnet growth in the Zermatt-Saas Fee (ZSF) eclogites, and discusses consequences for Sm/Nd and Lu/Hf dating and the equilibrium assumption. All studied garnets from the ZSF eclogites are strongly zoned in Mn, Fe, Mg, and Ca. Methods based on chemical zoning patterns and on 3D spatial statistics indicate different growth mechanisms depending on the sample studied. Garnets from the Pfulwe area are grown in a system where surface kinetics likely dominated over intergranular diffusion kinetics. Garnets fram two other localities, Nuarsax and Lago di Cignana, seem to have grown in a system where intergranular diffusion kinetics were dominating over surface kinetics, at least during initial growth. Garnets reveal strong prograde REE+Y zoning. They contain narrow central peaks for Lu + Yb + Tm ± Er and at least one additional small peak towards the rim. The REE Sm + Eu + Gd + Tb ± Dy are depleted in the cores but show one prominent peak close to the rim. It is shown that these patterns cam be explained using a transient matrix diffusion model where REE uptake is limited by diffusion in the matrix surrounding the porphyroblast. The secondary peaks in the garnet profiles are interpreted to reflect thermally activated diffusion due to a temperature increase during prograde metamorphism. The model predicts anomalously low 176Lu/177Hf and 147Sm/144Nd ratios in garnets where growth rates are fast compared to diffusion of the REE, which decreases garnet isochron precisions. The sharp Lu zoning was further used to constrain maximum Lu volume diffusion rates in garnet. The modeled minimum pre-exponential diffusion coefficient which fits the measured central peak is in the order of Do = 5.7* 106 m2/s, taking an activation energy of 270 kJ/mol. The latter was chosen in agreement with experimentally determined values. This can be used to estimate a minimum closure temperature of around 630°C for the ZSF zone. Zoning of REE was combined with published Lu/Hf and Sm/Nd age information to redefine the prograde crystallization interval for Lago di Cignana UHP eclogites. Modeling revealed that a prograde growth interval in the order of 25 m.y. is needed to produce the measured spread in ages. RÉSUMÉ Le grenat est un minéral métamorphique clé pour déterminer les conditions du pic de métamorphisme ainsi que l'âge de cristallisation. L'équilibre entre le grenat et la matrice est requis. Cette étude a pour but de comprendre la croissance du grenat dans les éclogites de la zone de Zermatt-Saas Fee (ZSF) et d'examiner quelques conséquences sur les datations Sm/Nd et Lu/Hf. Tous les grenats des éclogites de ZSF étudiés sont fortement zonés en Mn, Fe, Mg et partiellement en Ca. Les différentes méthodes basées sur le modèle de zonation chimique ainsi que sur les statistiques de répartition spatiale en 3D indiquent un mécanisme de croissance différent en fonction de la localité d'échantillonnage. Les grenats provenant de la zone de Pfulwe ont probablement crû dans un système principalement dominé par la cinétique de surface au détriment de 1a cinétique de diffusion intergranulaire. Les grenats provenant de deux autres localités, Nuarsax et Lago di Cignana, semblent avoir cristallisé dans un système dominé par la diffusion intergranulaire, au moins durant les premiers stades de croissance. Les grenats montrent une forte zonation prograde en Terres Rares (REE) ainsi qu'en Y. Les profils présentent au coeur un pic étroit en Lu + Yb+ Tm ± Er et au moins un petit pic supplémentaire vers le bord. Les coeurs des grenats sont appauvris en Sm + Eu + Gd + Tb ± Dy, mais les bords sont marqués par un pic important de ces REE. Ces profils s'expliquent par un modèle de diffusion matricielle dans lequel l'apport en REE est limité par la diffusion dans la matrice environnant les porphyroblastes. Les pics secondaires en bordure de grain reflètent la diffusion activée par l'augmentation de la température lors du métamorphisme prograde. Ce modèle prédit des rapports 176Lu/177Hf et 147Sm/144Nd anormalement bas lorsque les taux de croissance sont plus rapides que la diffusion des REE, ce qui diminue la précision des isochrones impliquant le grenat. La zonation nette en Lu a permis de contraindre le maximum de diffusion volumique par une approche numérique. Le coefficient de diffusion minimum modélisé en adéquation avec les pics mesurés est de l'ordre de Do = 5.7*10-6 m2/s, en prenant une énergie d'activation ~270 kJ/mol déterminée expérimentalement. Ainsi, la température de clôture minimale est estimée aux alentours de 630°C pour la zone ZSF. Des nouvelles données de zonation de REE sont combinées aux âges obtenus avec les rapports Lu/Hf et Sm/Nd qui redéfissent l'intervalle de cristallisation prograde pour les éclogites UHP de Lago di Cignana. La modélisation permet d'attribuer au minimum un intervalle de croissance prograde de 25 Ma afin d'obtenir les âges préalablement mesurés. RESUME GRAND PUBLIC L'un des principaux buts du pétrologue .métamorphique est d'extraire des roches les informations sur l'évolution temporelle, thermique et barométrique qu'elles ont subi au cours de la formation d'une chaîne de montagne. Le grenat est l'un des minéraux clés dans une grande variété de roches métamorphiques. Il a fait l'objet de nombreuses études dans des terrains d'origines variées ou lors d'études expérimentales afin de comprendre ses domaines de stabilité, ses réactions et sa coexistence avec d'autres minéraux. Cela fait du grenat l'un des minéraux les plus attractifs pour la datation des roches. Cependant, lorsqu'on l'utilise pour la datation et/ou pour la géothermobarométrie, on suppose toujours que le grenat croît en équilibre avec les phases coexistantes de la matrice. Pourtant, la croissance d'un minéral est en général liée au processus de déséquilibre. Cette étude a pour but de comprendre comment croît le grenat dans les éclogites de Zermatt - Saas Fee et donc d'évaluer le degré de déséquilibre. Il s'agit aussi d'expliquer les différences d'âges obtenues grâce aux grenats dans les différentes localités de l'unité de Zermatt-Saas Fee. La principale question posée lors de l'étude des mécanismes de croissance du grenat est: Parmi les processus en jeu lors de la croissance du grenat (dissolution des anciens minéraux, transport des éléments vers le nouveau grenat, précipitation d'une nouvelle couche en surface du minéral), lequel est le plus lent et ainsi détermine le degré de déséquilibre? En effet, les grenats d'une des localités (Pfulwe) indiquent que le phénomène d'adhérence en surface est le plus lent, contrairement aux grenats des autres localités (Lago di Cignana, Nuarsax) dans lesquels ce sont les processus de transport qui sont les plus lents. Cela montre que les processus dominants sont variables, même dans des roches similaires de la même unité tectonique. Ceci implique que les processus doivent être déterminés individuellement pour chaque roche afin d'évaluer le degré de déséquilibre du grenat dans la roche. Tous les grenats analysés présentent au coeur une forte concentration de Terres Rares: Lu + Yb + Tm ± Er qui décroît vers le bord du grain. Inversement, les Terres Rares Sm + Eu + Gd + Tb ± Dy sont appauvries au coeur et se concentrent en bordure du grain. La modélisation révèle que ces profils sont-dus à des cinétiques lentes de transport des Terres Rares. De plus, les modèles prédisent des concentrations basses en éléments radiogéniques pères dans certaines roches, ce qui influence fortement sur la précision des âges obtenus par la méthode d'isochrone. Ceci signifie que les roches les plus adaptées pour les datations ne doivent contenir ni beaucoup de grenat ni de très gros cristaux, car dans ce cas, la compétition des éléments entre les cristaux limite à de faibles concentrations la quantité d'éléments pères dans chaque cristal.