Trace element partitioning in HP-LT metamorphic assemblages during subduction-related metamorphism, Ile de Groix, France: a detailed LA-ICPMS study

Devolatilization reactions and subsequent transfer of fluid from subducted oceanic crust into the overlying mantle wedge are important processes, which are responsible for the specific geochemical characteristics of subduction-related metamorphic rocks, as well as those of arc magmatism. To better understand the geochemical fingerprint induced by fluid mobilization during dehydration and rehydration processes related to subduction zone metamorphism, the trace element and rare earth element (REE) distribution patterns in HP-LT metamorphic assemblages in eclogite-, blueschist- and greenschist-facies rocks of the Ile de Groix were obtained by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICPMS) analysis. This study focuses on 10 massive basic rocks representing former hydrothermally altered mid-ocean ridge basalts (MORB), four banded basic rocks of volcano-sedimentary origin and one micaschist. The main hosts for incompatible trace elements are epidote (REE, Th, U, Pb, Sr), garnet [Y, heavy REE (HREE)], phengite (Cs, Rb, Ba, B), titanite [Ti, Nb, Ta, REE; HREE > LREE (light REE)], rutile (Ti, Nb, Ta) and apatite (REE, Sr). The trace element contents of omphacite, amphibole, albite and chlorite are low. The incompatible trace element contents of minerals are controlled by the stable metamorphic mineral assemblage and directly related to the appearance, disappearance and reappearance of minerals, especially epidote, garnet, titanite, rutile and phengite, during subduction zone metamorphism. Epidote is a key mineral in the trace element exchange process because of its large stability field, ranging from lower greenschist- to blueschist- and eclogite-facies conditions. Different generations of epidote are generally observed and related to the coexisting phases at different stages of the metamorphic cycle (e.g. lawsonite, garnet, titanite). Epidote thus controls most of the REE budget during the changing P-T conditions along the prograde and retrograde path. Phengite also plays an important role in determining the large ion lithophile element (LILE) budget, as it is stable to high P-T conditions. The breakdown of phengite causes the release of LILE during retrogression. A comparison of trace element abundances in whole-rocks and minerals shows that the HP-LT metamorphic rocks largely retain the geochemical characteristics of their basic, volcano-sedimentary and pelitic protoliths, including a hydrothermal alteration overprint before the subduction process. A large part of the incompatible trace elements remained trapped in the rocks and was recycled within the various metamorphic assemblages stable under changing metamorphic conditions during the subduction process, indicating that devolatilization reactions in massive basic rocks do not necessarily imply significant simultaneous trace element and REE release.

Modeling of in-situ crystallization processes in the Permian mafic layered intrusion of Mont Collon (Dent Blanche nappe, western Alps)

The Mont Collon mafic complex is one of the best preserved examples of the Early Permian magmatism in the Central Alps, related to the intra-continental collapse of the Variscan belt. It mostly consists (> 95 vol.%) of ol+hy-nonnative plagioclase-wehrlites, olivine- and cpx-gabbros with cumulitic structures, crosscut by acid dikes. Pegmatitic gabbros, troctolites and anorthosites outcrop locally. A well-preserved cumulative, sequence is exposed in the Dents de Bertol area (center of intrusion). PT-calculations indicate that this layered magma chamber emplaced at mid-crustal levels at about 0.5 GPa and 1100 degrees C. The Mont Collon cumulitic rocks record little magmatic differentiation, as illustrated by the restricted range of clinopyroxene mg-number (Mg#(cpx)=83-89). Whole-rock incompatible trace-element contents (e.g. Nb, Zr, Ba) vary largely and without correlation with major-element composition. These features are characteristic of an in-situ crystallization process with variable amounts of interstitial liquid L trapped between the cumulus mineral phases. LA-ICPMS measurements show that trace-element distribution in the latter is homogeneous, pointing to subsolidus re-equilibration between crystals and interstitial melts. A quantitative modeling based on Langmuir's in-situ crystallization equation successfully duplicated the REE concentrations in cumulitic minerals of all rock facies of the intrusion. The calculated amounts of interstitial liquid L vary between 0 and 35% for degrees of differentiation F of 0 to 20%, relative to the least evolved facies of the intrusion. 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. However, the in-situ crystallization model reaches its limitations with rock containing high modal content of REE-bearing minerals (i.e. zircon), such as pegmatitic gabbros. Dikes of anorthositic composition, locally crosscutting the layered lithologies, evidence that the Mont Collon rocks evolved in open system with mixing of intercumulus liquids of different origins and possibly contrasting compositions. The proposed model is not able to resolve these complex open systems, but migrating liquids could be partly responsible for the observed dispersion of points in some correlation diagrams. Absence of significant differentiation with recurrent lithologies in the cumulitic pile of Dents de Bertol points to an efficiently convective magma chamber, with possible periodic replenishment, (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Timing of Palaeozoic magmatism in the Maggia and Sambuco nappes and paleogeographic implications (Central Lepontine Alps)

Magmatic rocks from the pre-Mesozoic basements of the Sambuco and Maggia nappes have been dated by U-Pb zircon ages with the LA-ICPMS technique. Several magmatic events have been identified in the Sambuco nappe. The mafic banded calc-alkaline suite of Scheggia is dated at 540 Ma, an age comparable to that of mafic rocks in the Austroalpine Silvretta nappe. The Sasso Nero peraluminous augengneiss has an age of 480-470 Ma, like many other ``older orthogneisses'' in Alpine basement units. It hosts a large proportion of inherited zircons, which were dated around 630 Ma, a Panafrican age indicating the Gondwanan affiliation of the Sambuco basement. The calc-alkaline Matorello pluton yielded ages around 300 Ma, similar to numerous Late Carboniferous intrusions in other basement units of the Lower Penninic (Monte Leone, Antigorio, Verampio) and Helvetic domains (Gotthard and other External Crystalline Massifs). Associated lamprophyric dykes are slightly younger (300-290 Ma), like similar dykes sampled in gneiss blocks included in the sedimentary cover of the underlying Antigorio nappe (290-285 Ma). The Cocco granodiorite and Ruscada leucogranite, both intruding the basement of the neighbouring Maggia nappe, yielded ages of ca. 300-310 Ma, identical within errors to the age of the Matorello pluton. They are significantly older than former age determinations. This age coincidence, coupled with remarkable petrologic similarities between the Cocco and Matorello granodiorites, strongly suggests paleogeographic proximity of the Sambuco and Maggia nappes in Late Carboniferous times. In recent publications these two nappes have been interpreted as belonging to distinct Mesozoic paleogeographic domains: ``European'' for Sambuco and ``Brian double dagger onnais'' for Maggia, separated by the ``Valais'' oceanic basin. In this case, the similarity of the Matorello and Cocco intrusions would demonstrate the absence of any significant transcurrent movement between these two continental domains. Alternatively, according to a more traditional view, Sambuco and Maggia might belong to a single large Alpine tectonic unit.

Evidence of growth and sector zoning in hydrothermal quartz from Alpine veins

Several quartz crystals from three different Alpine vein localities and of known petrologic setting and evolution have been examined for possible elemental sector zoning in order to help to constrain the mechanisms of such trace element incorporation. Using different in situ techniques (EMPA, LA-ICPMS, SIMS, FTIR-spectroscopy), it was established that Al and Li concentrations can exceed several hundreds of ppma for distinct growth zones within crystals formed at temperatures of about 300 degrees C or less and that also display patterns of cyclic growth when examined with cathodoluminescence. In contrast, crystals formed at temperatures closer to 400 degrees C and without visible cyclic growth have low concentrations of Al and Li as well as other trace elements. Al and Li contents are correlated along profiles measured within the crystals and in general their proportion does not change along the profiles. No relationships were found between Al, Na, and K, and germanium has a qualitative relationship with Al. FTIR spectra also show OH(-) absorption bands within the quartz, with higher amplitudes in zones rich in Al and Li. Sector zoning is present. It is most pronounced between prismatic and rhombohedral faces of the same growth zone, but also between the rhombohedral faces of r and z, which contain different amounts of trace elements. The sector zoning is also expressed by changes in the Li/Al ratio, with higher ratios in 17 compared to r faces. It is concluded that the incorporation of trace elements into hydrothermal quartz from Alpine veins is influenced by growth mechanisms and surface-structures of the growing quartz crystals, the influence of which may change as a function of temperature, pH, as well as the chemical composition of the fluid.

MPI-DING reference glasses for in situ microanalysis: New reference values for element concentrations and isotope ratios

[1] We present new analytical data of major and trace elements for the geological MPI-DING glasses KL2-G, ML3B-G, StHs6/80-G, GOR128-G, GOR132-G, BM90/21-G, T1-G, and ATHO-G. Different analytical methods were used to obtain a large spectrum of major and trace element data, in particular, EPMA, SIMS, LA-ICPMS, and isotope dilution by TIMS and ICPMS. Altogether, more than 60 qualified geochemical laboratories worldwide contributed to the analyses, allowing us to present new reference and information values and their uncertainties ( at 95% confidence level) for up to 74 elements. We complied with the recommendations for the certification of geological reference materials by the International Association of Geoanalysts (IAG). The reference values were derived from the results of 16 independent techniques, including definitive ( isotope dilution) and comparative bulk ( e. g., INAA, ICPMS, SSMS) and microanalytical ( e. g., LA-ICPMS, SIMS, EPMA) methods. Agreement between two or more independent methods and the use of definitive methods provided traceability to the fullest extent possible. We also present new and recently published data for the isotopic compositions of H, B, Li, O, Ca, Sr, Nd, Hf, and Pb. The results were mainly obtained by high-precision bulk techniques, such as TIMS and MC-ICPMS. In addition, LA-ICPMS and SIMS isotope data of B, Li, and Pb are presented.

Variscan lamprophyres in the Lower Penninic domain (Central Alps): age and tectonic significance

Lamprophyre dykes have been recently discovered in blocks of gneiss embedded in a calcschist formation of wildflysch type that forms the top of the Mesozoic-Tertiary metasedimentary cover of the Antigorio nappe (the Teggiolo zone) in the Val Bavona (Lower Penninic, NW Ticino, Switzerland). The presence of the lamprophyres gives a clue to the possible source of these blocks. Similar dykes occur in the N part of the Maggia nappe where they are intruded into the Matorello granite and the surrounding gneisses. We studied these lamprophyres at two localities in the Teggiolo zone (Tamierpass and Lago del Zott) and at one locality in the Maggia nappe (Laghetti). Detailed mineralogical and geochemical investigations confirm their great similarity, particularly between the Tamier and Laghetti dykes. They all recrystallized during Alpine metamorphism under amphibolite facies conditions and lost their primary mineral assemblages and textures. The chemistry reveals a calc-alkaline affinity, a limited differentiation range, features of mineral accumulation and intense remobilization in some cases. The lamprophyres are characterized by a high mg# and relatively low contents in REE and other incompatible elements. In situ SHRIMP and LA-ICPMS U-Pb zircon dating yielded ages of 284.8 +/- 1.7 Ma (Tamier), 290.0 +/- 1.3 Ma (Zott) and 290.5 +/- 3.7 Ma (Laghetti). These ages are compatible with the general late- to post-Variscan magmatic evolution of the Helvetic and Lower Penninic domains. The lamprophyres are considered as melts derived from the lithospheric Variscan mantle, variously hybridized and differentiated at the contact with crustal material during late- to post-orogenic extension. These lamprophyres are chemically distinct from earlier lamprophyres of Visean age, emplaced together with their associated granites in transcurrent fault zones during the Variscan orogenic compression. The similarity of these different dykes suggests that the front of the Maggia nappe is a likely source of the gneissic blocks embedded in the calcschists at the top of the Teggiolo zone. They would have been provided by the advancing Maggia nappe during its thrusting over the Antigorio nappe and simultaneous closure of the Teggiolo sedimentary basin.

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.

The data treatment dependent variability of U-Pb zircon ages obtained using mono-collector, sector field, laser ablation ICP-MS

U-Pb dating of zircons by laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICPMS) is a widely used analytical technique in Earth Sciences. For U-Pb ages below 1 billion years (1 Ga), Pb-206/U-238 dates are usually used, showing the least bias by external parameters such as the presence of initial lead and its isotopic composition in the analysed mineral. Precision and accuracy of the Pb/U ratio are thus of highest importance in LA-ICPMS geochronology. We consider the evaluation of the statistical distribution of the sweep intensities based on goodness-of-fit tests in order to find a model probability distribution fitting the data to apply an appropriate formulation for the standard deviation. We then discuss three main methods to calculate the Pb/U intensity ratio and its uncertainty in the LA-ICPMS: (1) ratio-of-the-mean intensities method, (2) mean-of-the-intensity-ratios method and (3) intercept method. These methods apply different functions to the same raw intensity vs. time data to calculate the mean Pb/U intensity ratio. Thus, the calculated intensity ratio and its uncertainty depend on the method applied. We demonstrate that the accuracy and, conditionally, the precision of the ratio-of-the-mean intensities method are invariant to the intensity fluctuations and averaging related to the dwell time selection and off-line data transformation (averaging of several sweeps); we present a statistical approach how to calculate the uncertainty of this method for transient signals. We also show that the accuracy of methods (2) and (3) is influenced by the intensity fluctuations and averaging, and the extent of this influence can amount to tens of percentage points; we show that the uncertainty of these methods also depends on how the signal is averaged. Each of the above methods imposes requirements to the instrumentation. The ratio-of-the-mean intensities method is sufficiently accurate provided the laser induced fractionation between the beginning and the end of the signal is kept low and linear. We show, based on a comprehensive series of analyses with different ablation pit sizes, energy densities and repetition rates for a 193 nm ns-ablation system that such a fractionation behaviour requires using a low ablation speed (low energy density and low repetition rate). Overall, we conclude that the ratio-of-the-mean intensities method combined with low sampling rates is the most mathematically accurate among the existing data treatment methods for U-Pb zircon dating by sensitive sector field ICPMS.

Structure and kinematics of the Siviez-Mischabel nappe in the Mattertal (western Alps of Switzerland) = Structure et cinématique de la nappe de Siviez-Mischabel le long de la vallée de Zermatt (Alpes de Suisse occidentale)

Résumé Cette étude porte sur le flanc inverse de la nappe de Siviez-Mischabel et sur les unités tectoniques sous jacentes (zone de Stalden supérieur et zone Houillère) dans la vallée menant à Zermatt. L'étude structurale du granite permien de Randa (orthogneiss oeillé) permet de mieux comprendre les effets de la déformation alpine sur les roches de socle. La cartographie détaillée de l'orthogneiss et de son encaissant, ainsi que l'étude lithostratigraphique des terrains sédimentaires associés permettent de proposer un schéma structural et cinématique du flanc inverse de la nappe de Siviez-Mischabel et de mieux comprendre ses relations avec les unités tectoniques sous-jacentes. L'analyse structurale de l'orthogneiss de Randa et de son encaissant révèle la superposition de plusieurs phases de déformation ductile. Cet orthogneiss formé sous des conditions métamorphiques du faciès schiste vert possède une forte schistosité alpine avec au moins deux linéations d'extension. La première, L1, orientée NW-SE est associée à la mise en place de la nappe. La seconde, L2, orientée SW-NE, se corrèle au cisaillement ductile du Simplon. La quantification de la déformation au moyen de la méthode de Fry sur les faciès porphyriques donne des ellipses à rapports axiaux compris entre 1.9 et 5.3, en accord avec les valeurs obtenues par d'autres marqueurs {tourmalines étirées, fibres). Les valeurs mesurées parallèlement à L1 ou L2 sont très semblables. La méthode de Fry a nécessité une étude théorique préalable afin de vérifier son applicabilité aux orthogneiss oeillés. La méthode requiert une distribution spatiale homogène et isotrope des marqueurs utilisés. Les tests statistiques effectués ont révélé que les phénocristaux de feldspath alcalin satisfont à cette condition et qu'ils peuvent être utilisés comme marqueur de la déformation au moyen de la méthode de Fry. Les valeurs obtenues révèlent l'importance du cisaillement ductile du Simplon sur la géométrie de la nappe dans la région d'étude. Le levé cartographique a permis d'améliorer la lithostratigraphie de la base de la nappe de Siviez-Mischabel. Trois formations en position renversée peuvent être observées sous les gneiss formant le coeur de la nappe. Ces trois formations forment le coeur du synclinal de St-Niklaus qui connecte la nappe de Siviez-Mischabel à la zone de Stalden supérieur. La datation par U-Pb de zircons détritiques et magmatiques par LA-ICP-MS permet de contraindre l'âge des formations observées (probablement Carbonifère à Trias précoce). Ces données ont des répercussions importantes sur la structure de la nappe dans la région, prouvant l'existence de plusieurs plis avec des séries normales et renversées bien préservées. La définition et la datation de ces formations, ainsi que leur identification dans la-Zone- Houillère avoisinante permettent de mieux comprendre la géométrie initiale et les relations tectoniques des nappes du Pennique moyen dans la vallée de Zermatt. Summary This study investigates the overturned limb of the Siviez-Mischabel nappe and underlying tectonic units (Upper Stalden zone and Houillère zone) in the Mattertal area. Detailed structural analysis in the Permian Randa granite (augen orthogneiss) allows a better understanding of the Alpine deformation effects on basement rocks. Detailed mapping of this orthogneiss and surrounding rocks, and the study of the lithostratigraphy in the related sedimentary horizons allow the proposition of a structural and kinematic model for the overturned limb of the Siviez-Mischabel and to better understand the relations with the underlying tectonic units. The structural analysis of the Randa orthogneiss and surrounding rocks revealed the superposition of several phases of ductile deformation. This orthogneiss formed under greenschist facies metamorphic conditions displays a strong Alpine foliation with at least two stretching lineations. The first lineation, L1, is oriented NW-SE and is related to the nappe emplacement northward. The second one, L2, is related to the Simplon ductile shear zone. Strain estimation using the Fry method has been performed on porphyritic facies of the Randa orthogneiss. The obtained ellipses have axial ratios varying between 1.9 and 5.3, in agreement with strain estimation obtained from other markers (stretched turmalines, fringes). The strain values are very similar if measured parallel to L1 or to L2. A theoretical approach was necessary to verify the relevant application of the Fry method to augen orthogneiss. This method requires that the distribution of the used markers has to be homogeneous and isotropic. Statistical tests have been done and revealed that K-feldspar phenocrysts satisfy these conditions and can be used as strain markers with the Fry method. The obtained strain measurements revealed the importance of the Simplon ductile shear zone on the geometry of the nappe in the studied area. Mapping has improved the lithostratigraphy at the base of the Siviez-Mischabel nappe. Three overturned formations can be observed below the gneisses forming the core of the nappe. These three formations form the St-Niklaus syncline, which connects the Siviez-Mischabel nappe to the underlying Upper Stalden zone. U-Pb dating of detrital and magmatic zircons by LA-ICPMS allowed the age of the observed formations to be constrained (presumably Carboniferous to Early Triassic). This data has critical implications for nappe structure in the region, composed of few recumbent folds with well preserved normal and overturned limbs. The definition and dating of these formations, as well as their identification in the adjacent "Houillère Zone" improve the understanding of the geometry and tectonic relations of the Middle Penninic nappes in the Mattertal.

The Paleozoic magmatic history of the Maggia and Sambuco nappes, Lower Penninic, Central Lepontine Alps

Résumé : Les corps magmatiques sont des indicateurs essentiels dans toute reconstitution paléogéographique et/ou géodynamique d'un cycle orogénique, en particulier en contexte polycyclique, où la plupart des autres indices ont été oblitérés. Ils sont aisément datables et leurs caractéristiques géochimiques permettent de contraindre leur contexte tectonique de mise en place. Cette approche a été appliquée aux socles pré-mésozoïques des nappes penniques inférieures de Sambuco et de la Maggia, dans les Alpes centrales lepontines. Plusieurs événements magmatiques ont été identifiés dans le socle de Sambuco et datés par la méthode U-Pb sur zircon couplée à la technique LA-ICPMS. La suite calco-alcaline mafique rubanée de Scheggia est datée du Cambrien inférieur à 540-530 Ma ; le métagranite alumineux oeillé de Sasso Nero a un âge de 480-470 Ma, tout comme bien d'autres «older orthogneisses» des socles alpins. Il contient des zircons hérités d'âge panafricain à 630-610 Ma, indicateur d'une affiliation gondwanienne de ces terrains. Le pluton calco-alcalin du Matorello est daté à environ 300-310 Ma, et les filons lamprophyriques qu'il abrite à 300 Ma. La granodiorite de Cocco et le leucogranite de Ruscada, tous deux intrudés dans le socle de la nappe adjacente de la Maggia, ont des âges similaires à celui du Matorello. Ceci ajouté aux similitudes magmatiques observées entre Cocco et Matorello suggère une proximité paléogéographique des deux nappes au Permien-Carbonifère. Or ces dernières sont actuellement considérées appartenir à deux domaines paléogéographiques mésozoïques distincts : helvétique pour Sambuco et briançonnais pour Maggia, séparés par un bassin océanique. Si tel fut le cas, aucun mouvement décrochant ne doit avoir décalé les marges continentales de l'océan, retrouvées en parfaite coïncidence lors de sa fermeture. Le Matorello est un pluton recristallisé en faciès amphibolite et plissé par cinq phases successives de déformation non-coaxiales, qui ont conduit à son renversement complet, attesté par des indicateurs de paléogravité. Il préserve de spectaculaires phénomènes de coexistence liquide de magmas (essaims d'enclaves et Bills composites). Ce pluton était originellement tabulaire, construit par l'accumulation de multiples injections de magma en feuillets d'épaisseur métrique à décamétrique. Suivant le rythme de mise en place, les injections successives ont rapidement cristallisé avec des contours nets et bien définis (Bills composites) ou se sont mélangées avec les précédentes pour former une couche non consolidée de plusieurs dizaines de mètres d'épaisseur (granodiorite principale). Les injections individuelles sont délimitées par de subtils contrastes en granulométrie, proportions modales ou ségrégation de minéraux (schlieren), ou par des phénomènes d'érosion le long des surfaces de contact. Deux couches métriques à contour sinueux consistent en une accumulation compacte d'enclaves mafiques arrondies dans une matrice granodioritique fine. Le granoclassement des enclaves, la présence de figures de charge et de phénomènes érosifs en base de couche, ainsi que des schlieren de biotite entrecroisés évoquent l'injection de coulées de magma chargé d'enclaves et de faible viscosité en régime hydrodynamique turbulent dans un encaissant granodioritique encore largement liquide. La nature hybride des roches implique une chambre magmatique sous-jacente, en cours de différenciation et périodiquement réalimentée. Les magmas sont des liquides mafiques dérivés du manteau et des liquides anatectiques d'origine crustale, comme l'indique la gamme mesurée des rapports isotopiques initiaux du Sr (0.704 à 0.709) et des valeurs epsilon Nd (-2.1 à -4.7). Ces données montrent également que la contribution crustale est dominante, en accord avec les isotopes du plomb. Les phénomènes d'hybridation ont vraisemblablement eu lieu en base de croûte et dans la chambre magmatique sous-jacente au laccolite du Matorello. Les indicateurs de paléogravité du Matorello contribuent accessoirement à la compréhension de l'architecture actuelle de la nappe de Sambuco. Des plis isoclinaux à surface axiale verticale peuvent être mis en évidence par le contact entre les faciès dioritique et granodioritique. L'antiforme dont le Matorello forme le coeur est un synclinal, ce qui le positionne dans le Flanc inverse du grand pli couché que forme la nappe de Sambuco. Par ailleurs, des blocs de gneiss retrouvés dans le wildflysch sommital de la couverture de la nappe d'Antigorio ont été affiliés dans cette étude au pluton du Matorello. Ceci implique que le front de la nappe de Sambuco chevauchait déjà la partie est du bassin d'Antigorio au moment de sa fermeture. Par conséquent, ce n'est qu'en position externe que la nappe du Lebendun chevauche directement la nappe d'Antigorio. Abstract Magmatic bodies are important markers in paleo-geographic or geodynamic reconstructions of orogenic cycles, even more so in the case of polycyclic events where many of the other markers have been overwritten or destroyed. Plutons are relatively easy to date and their geochemical properties help constrain the tectonic context in which they were emplaced. This study focuses on the pre-mesozoic basement in the Sambuco and Maggia lower Penninic nappes located in the central Lepontine domain of the Alps. A number of magmatic events have been identified in the Sambuco basement. These events were dated using LA-ICPMS U/Pb on zircon grains. The mafic calc-alkaline banded Scheggia suite is dated as lower Cambrian, 540-530 Ma. The Al-rich Sasso-Nero lenticular gneiss is 480-470 Ma old (similarly to many older orfhogneisses of the Alpine basement) and contains 630-610 Ma old pan-African inherited zircons that illustrate the Gondwanian origin of these terranes.The calc-alkaline Matorello pluton is dated as 310-300 Ma whereas the lamprophyric bodies it contains are of 300 Ma. The Cocco granodiorite and the Ruscada leucogranite both intrude the basement of the adjacent Maggia nappe and are of similar ages to the Matorello. The ages as well as the geochemical similarities between the Cocco, Rucada and Matorello plutons suggest their paleo-geographic proximity at the Permian-Carboniferous boundary. However, these nappes are currently considered as belonging to two different Mesozoic paleo-geographic domains. Indeed, the Sambuco is considered as Helvetic whereas the Maggia is said to be Briançonnais, both separated by an oceanic basin. If this is the case, then it is essential that nostrike-slip movement has misaligned both continental margins since these coincide perfectly now that the oceanic domain closed. The Matorello pluton was originally a tabular intrusion, built up by the accumulation of multiple, several meter-thick, subhorizontal sheet-like injections of magma. Depending on their emplacement rate, the successive magma injections either solidified rapidly with sharp and rather well-defined boundaries (like the composite sills) or mingled with previous injections generating a thick molten layer up to several tens to hundred meters thick, like in the main granodioritic facies. These coalesced injections are hardly distinguishable, however subtle contrasts in granulometry, mineral modal proportions or mineral sorting (cross-bedded biotite-rich schlieren), as well as erosional features and/or crystal entrapment along contact surfaces allow to distinguish between the different injections. Two exceptional meter-thick layers display sinuous boundaries with the host granodiorite and consist of a densely packed accumulation of mafic enclaves in a granodioritic matrix. Gravitational sorting of the enclaves with load cast features at the base of the layers and sinuous biotite schlieren point to injection of low viscosity turbulent composite magma flows in the still largely molten granodiorite host. The hybrid nature of these rocks implies the existence of á periodically replenished and differentiated underlying magma chamber. Magmas are mafic liquids derived from the mantle and anatectic liquids of crustal origin, as shown by the (87Sr/86Sr), and epsilon Nd values (0.704-0.709 and -2.1 to -4.7 respectively. These data show that the crustal contribution is important, as confirmed by the Pb isotopes. The hybridisation processes seem to have occurred in the lower crust in magma chambers underlying the Matorello laccolith. The paleo-gravity markers in the Matorello help understand the architecture of the Sambuco nappe. Isoclinal folds with a vertical axial plane can be seen at the contact between dioritic and granodioritic facies. The antiform structure of which the Matorello is the heart is in fact a syncline. This places it in the inverse flanc of the large recumbent fold that constitutes the Sambuco nappe. The gneiss blocs found in the summital wildflysh cover of the Antigorio nappe have been linked to the Matorello pluton. This means that the front of the Sambuco nappe already overlapped the Antigorio basin when it closed. This implies that the Lebendun nappe can only overlap the Antigorio nappe in it's external position. Résumé grand public La chaîne alpine est la conséquence de la collision tertiaire entre deux masses continentales, l'Europe au nord et la péninsule apulienne africaine au sud, originellement séparées par l'océan mésozoïque téthysien. Cette collision a fermé un espace large de plusieurs centaines de km avec pour résultat l'écaillage de la croûte terrestre en unités tectoniques de dimensions variables, qui se sont empilées, imbriquées, éventuellement replissées en nappes de géométrie complexe. Cet amoncellement de 40 km d'épaisseur a vu sa température et sa pression lithostatique internes augmenter jusqu'à des valeurs de l'ordre de 680 °C et 6000 bars, induisant une recristallisation métamorphique des roches. L'un des objectifs de la géologie alpine est de reconstituer la géographie de la région aux temps mésozoïques de l'océan téthysien, en d'autres termes, de replacer chacune des unités tectoniques identifiées au sein de l'empilement alpin dans sa position originelle. Le défi est de taille et peut être comparé à celui de la reconstitution d'un vaste puzzle, dont certaines pièces seraient endommagées au niveau de leur contour ou leurs couleurs (métamorphisme), dissimulées par d'autres (enfouissement), voire tombées de la table de jeu (subduction, échappement latéral). Plusieurs approches ont été mises en oeuvre au cours du siècle écoulé. On citera en particulier la stratigraphie, la tectonique et le paléomagnétisme. Dans ce travail, nous avons essentiellement utilisé des techniques de datation isotopique absolue des roches (U/Pb sur zircon) qui, sur la base des connaissances acquises par l'ensemble des autres disciplines géologiques, nous ont permis de mieux contraindre ta paléogéographie mésozoïque du domaine «pennique inférieur » des Alpes centrales lépontines. Et au-delà? Nous savons tous que la disposition des continents à la surface de la Terre évolue constamment. Il est donc tentant d'essayer de remonter plus loin encore dans le temps et de reconstituer la physionomie de la marge sud européenne, tout au moins certains éléments de son histoire, au cours de l'ère paléozoïque. Les traces de ces événements très anciens sont naturellement ténues et dans ce contexte, les techniques de datation mentionnées ci-dessus deviennent les outils les plus performants. Ainsi, des datations u/Pb sur zircon nous ont permis de recenser plusieurs intrusions magmatiques, attribuées à quatre événements orogéniques anté-alpins. Des âges néoprotérozoïques (630-610 millions d'années ou Ma), cambrien inférieur (540-530 Ma), ordovicien inférieur (480-470 Ma) et carbonifère supérieur-permien inférieur (310-285 Ma) ont été obtenus dans le socle de la nappe de Sambuco. Des âges similaires à 300 Ma ont été obtenus dans la nappe voisine de la Maggia, qui permettent de relier ces deux unités. Aujourd'hui côte à côte, ces deux nappes devaient également se trouver proches l'une de l'autre il y a 300 Ma, lors de l'extension post-varisque. Les structures magmatiques spectaculaires préservées dans le pluton du Matorello (300 Ma) contraignent la géométrie actuelle de la nappe de Sambuco dans laquelle l'intrusion s'est mise en place. La forme originelle du pluton, aujourd'hui retourné et replissé plusieurs fois, s'avère être tabulaire, faite d'intrusions de faible épaisseur (1-300 m) s'étalant en forme de disque (30m à 2 km de diamètre). Les injections successives de magma se sont accumulées sous un toit dioritique précoce; elles sont issues, par le refais de fractures, d'une chambre magmatique plus profonde, périodiquement réalimentée par des magmas calco-alcalins d'origine mantellique contaminés parla croûte continentale profonde (εNd = -2.1 à -4.7). Des accumulations d'enclaves magmatiques arrondies et granoclassées dans des paléo-chenaux à fond érosif témoignent de conditions de mise en place hydrodynamiques à haute énergie. Ces enclaves sont emmenées de la chambre magmatique sous-jacente à la faveur d'épisodes de fracturation hydraulique liés à l'injection de magmas matelliques chauds dans des liquides différenciés riches en eau. Cette hypothèse est étayée par l'existence de filons composites. Une paléohorizontale a pu être déduite au sein du pluton, indiquant que cette partie de la nappe de Sambuco est verticalisée et isoclinalement replissée par la déformation alpine. Finalement, des blocs érodés du socle Sambuco ont été retrouvés dans le wildflysch sommital de la couverture sédimentaire mésozoïque de la nappe d'Antigorio sous-jacente. Ceci suggère que les blocs ont été fournis parle front de la nappe de Sambuco en train de chevaucher sur la nappe d'Antigorio au moment de la fermeture du bassin sédimentaire de cette dernière.

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

Accessory phases as a tool to investigate magmatic underplating in polymetamorphic metasediments : an example from a fossil lower crust : Ivrea Verbano zne, NW Italy

The Ivrea and the Strona-Ceneri zones, NW italy and S Switzerland, offer the possibility to study the continental crust of the Southern Alps. Because of its high metamorphic degree and the abundant Permo- Carboniferous mafic intrusions, the Ivrea Zone is classically interpreted an exposed section trough the Permian lower crust. The present work is focused here on metasedimentary slices (septa) intercalated within Permian gabbro (mafic complex). In particular I studied the evolution of accessory phases such as rutile and zircon and the chemistry of the metasediments. The septa build an irregular and discontinuous band that cut obliquely the mafic complex from its deepest part (N) to its roof (S). The chemistry of the metasediments evolves along the band and the chemical evolution can be compared with that observed in the country-rock surrounding the mafic intrusion to the NE and overprinted by a main regional metamorphic event. This suggests that the degree of chemical depletion of the septa was mainly established during the same regional metamorphic event. Moreover it suggests that incorporation of the septa within the gabbro did not modify their original stratigraphie distribution within the crust. It implies that the mafic complex has been emplaced following a dynamic substantially different from the classic model of « gabbro glacier » (Quick et al., 1992; Quick et al., 1994). It is more likely that it has been emplaced by repeated injections of sills at different depths during a protracted period of time. Zircon trace elements and U-Pb ages suggest that regional metamorphism occurred 330-320Ma, the first sills in the deepest part of the Mafic Complex are injected at ~300Ma, the mafic magmas reached higher levels in the crust at 285Ma and the magmatic activity continued locally until 275Ma. The ages of detrital cores in zircons fix the maximal sedimentation age at ~370Ma, this age corresponds therefore with the maximal age of the incorporation of the Ivrea zone within the lower crust. I propose that the Ivrea zone has been accreted to the lower crust during the Hercynian orogeny sensu lato. The analysis of detrital ages suggests that the source terrains for the Ivrea zone and those for the Strona-Ceneri zone have a completely different Palaeozoic history. The systematic analysis of rutile in partially molten metasediments of the Ivrea zone reveals the occurrence of two generations. The two generations are characterized by a different chemistry and textural distribution. A first generation is formed during pro-grade metamorphism in the restitic counterpart. The second generation is formed in the melts during cooling at the same time that part of the first generation re-equilibrate. Re-equilibration of the first generation seems to be spatially controlled by the presence of fluids. Locally the second generation forms overgrowths on the first generation. Considered the different diffusivity of U and Pb in rutile, U heterogeneities have important implication for U-Pb dating of rutile. ID-TIMS and LA-ICPMS dating coupled with a careful textural investigation (SEM) suggest that rutile grains are characterized by multiple path along which Pb diffusion can occur: volume diffusion is an important process, but intragrain and subgrain boundaries provide additional high diffusivity pathways for Pb escape and reduce drastically the effective diffusion length. -- La zone d'Ivrea et la zone de Strona-Ceneri, en Italie nord-occidentale et Suisse méridionale, offrent la possibilité d'étudier la croûte continentale des Alpes du Sud. En raison du haut degré métamorphique et l'abondance d'intrusions mafiques d'âge Permo-Carbonifère [complexe mafique), la zone d'Ivrea est interprétée classiquement comme de la croûte inférieure permienne. Ce travail ce concentre sur des bandes metasédimentaires (septa) incorporées dans les magmas mafiques lors de l'intrusion. Les septa forment une bande irrégulière qui coupe obliquement le complexe mafique du bas (N) vers le haut (S). La chimie des septa évolue du bas vers le haut et l'évolution chimique se rapproche de l'évolution observé dans la roche encaissante l'intrusion affecté par un événement métamorphique régionale. Cette relation suggère que le degré d'appauvrissement chimique des septa a été établit principalement lors de l'événement métamorphique régional. De plus l'incorporation dans les gabbros n'a pas perturbée la distribution stratigraphique originelle des septa. Ces deux observations impliquent que le métamorphisme dans la roche encaissante précède la mise en place du gabbro et que cette dernière ne se fait pas selon le modèle classique (« gabbro glacier » de Quick et al., 1992, 1994), mais se fait plutôt par injections répétées de sills a différentes profondeurs. Les âges U-Pb et les éléments traces des zircons suggèrent que le métamorphisme régionale a eu lieu 330-320Ma, alors que les premiers sills dans la partie profonde du Mafic Complex s'injectent à ~300Ma, le magmatisme mafique atteigne des niveaux supérieurs à 285Ma et continue localement jusqu'à 270Ma. Les âges des coeurs détritiques des zircons permettent de fixer l'âge maximale de sédimentation à ~370Ma ce qui correspond donc à l'âge maximale de l'incorporation de la zone d'Ivrea dans la croûte inférieur. L'analyse systématique des rutiles, nous a permit de montrer l'existence de plusieurs générations qui ont une répartition texturale et une chimie différente. Une génération se forme lors de l'événement UHT dans les restites, une autre génération se forme dans les liquides lors du refroidissement, au même temps qu'une partie de la première génération se rééquilibre au niveau du Zr. Localement la deuxième génération peut former des surcroissances autour de la première génération. Dans ces cas, des fortes différences en uranium entre les deux générations ont des importantes implications pour la datation U-Pb sur rutile. Classiquement les ratios Pb/U dans le rutile sont interprétés comme indiquant l'âges du refroidissement du minéral sous une température à la quelle la diffusion du Pb dans le minéral n'est plus détectable et la diffusion à plus hautes températures est assumée se faire par «volume diffusion» dans le grain (Mezger et al., 1989). Par des datations ID-TIMS (sur grain entier) et LA-ICPMS (in-situ) et une analyse texturale (MEB) approfondie nous montrons que cette supposition est trop simpliste et que le rutile est repartie en sous-domaines. Chacun de ces domaines a ça propre longueur ou chemin de diffusion spécifique. Nous proposons donc une nouvelle approche plus cohérente pour l'interprétation des âges U-Pb sur rutile.