Constraints on the upper Permian to upper Triassic marine carbon isotope curve : case studies from the Tethys

Secular variations of the seawater carbon isotopic composition provide evidence for paleoceanographic and paleoclimatic changes and may serve for chemiostratigraphic correlations. The present study aimed to improve the current knowledge on the Upper Permian and Triassic segment of the Phanerozoic marine carbon isotope curve, whose Triassic part was poorly constrained by previous studies. Profiles of inorganic carbon isotopes are provided for sections from Himalaya (Salt Range, Kashmir, Spiti and Nepal), Oman and North Dobrogea (Romania) on the basis of whole-rock carbonate analysis. The data acquired, together with a literature compilation confirmed that most of the Upper Permian is characterized by high δ13C values (averaging +40/00) but failed to detect a positive excursion as suggested by recent compilations. In the light of these observations, the large drop in δ13C values associated with the end-Permian mass extinction appears to be driven by a sudden transfer of previously stocked 13C depleted carbon, rather than by the overturn of a Late Permian stratified ocean. The Triassic data-set outlines significant secular variations. The best documented is a carbon isotope positive excursion just across the Lower-Middle Triassic boundary, globally developed since it was detected in various paleogeographic settings. It is interpreted to reflect variations in surface ocean chemistry, possibly related to increased primary productivity, at times when the biotic recovery after the end-Permian mass-extinction began to accelerate significantly and when a sharp rise in seawater δ34S values occurred globally. Strontium isotope data obtained from well preserved biogenic phosphates allow a refinement of the Middle Triassic segment of the seawater strontium isotope curve and show a major inflexion point of the seawater strontium isotope curve also near the Lower Triassic - Middle Triassic boundary. These facts suggest that the transition from the Early to the Middle Triassic was a time of revolutionary global change which represented an important step in the evolution of Mesozoic marine environments. A tentative carbon isotope curve for the Upper Permian to Upper Triassic time interval is proposed. Its major features are: ? high but constant δ13C values during the Late Permian ? a sharp drop in δ13C values in the latest Permian ? subsequent recovery of δ13C values ? a short-lived positive excursion across the Early-Middle Triassic boundary ? a gradual rise in δ13C values starting in the Late Ladinian or in the Early Carnian It is foreseen that these fluctuations of the carbon isotope curve may serve as chronostratigraphic markers and further assist in the correlation of Permian and Triassic carbonate deposits.

Late Proterozoic thrust tectonics, high-pressure metamorphism and Uranium mineralization in the domes area, Lufilian arc, northwestern Zambia

The following main lithostratigraphic units have been distinguished in the Domes Area. The Kibaran basement complex composed of gneisses, migmatites with amphibolite bands and metagranites is exposed in dome structures; metamorphic features of Kibaran age have been almost completely obliterated by extensive Lufilian reactivation. The post-Kibaran cover sequence is subdivided into the Lower Roan Group consisting of well-preserved quartzites with high Mg content, talc-bearing, extremely foliated schists intercalated with pseudo-conglomerates of tectonic origin and the Upper Roan Group including dolomitic marbles with rare stromatolites, metapelites and a sequence of detrital metasediments, with local volcano-sedimentary components and interlayered banded ironstones. The sediments of the Lower Roan Group are interpreted as continental to lagoonal-evaporitic deposits partly converted into the talc-kyanite + garnet assemblage characteristic of ``white schists''. The dolomites and metapelites of the Upper Roan Group are attributed to a carbonate platform sequence progressively subsiding under terrigenous deposits, whilst the detrital metasediments and BIF may be interpreted as a basinal sequence, probably deposited on oceanic crust grading laterally into marbles. Metagabbros and metabasalts are considered as remnants of an ocean-floor-type crustal unit probably related to small basins. Alkaline stocks of Silurian age intruded the post-Kibaran cover. Significant ancestral tectonic discontinuities promoted the development of a nappe pile that underwent high-pressure metamorphism during the Lufilian orogeny and all lithostratigraphic units. Rb-Sr and K-Ar and U-Pb data indicate an age of 700 Ma for the highest grade metamorphism and 500 Ma for blocking of the K-Ar and Rb-Sr system in micas, corresponding to the time when the temperature dropped below 350-degrees-400-degrees-C and to an age of about 400 Ma for the emplacement of hypabyssal syenitic bodies. A first phase of crustal shortening by decoupling of basement and cover slices along shallow shear zones has been recognized. Fluid-rich tectonic slabs of cover sediments were thus able to transport fluids into the anhydrous metamorphic basement or mafic units. During the subsequent metamorphic re-equilibration stage of high pressure, pre-existing thrusts horizons were converted into recrystallized mylonites. Due to uplift, rocks were re-equilibrated into assemblages compatible with lower pressures and slightly lower temperatures. This stage occurs under a decompressional (nearly adiabatic) regime, with P(fluid) almost-equal-to P(lithostatic). It is accompanied by metasomatic development of minerals, activated by injection of hot fluids. New or reactivated shear zones and mylonitic belts were the preferred conduits of fluids. The most evident regional-scale effect of these processes is the intense metasomatic scapolitization of formerly plagioclase-rich lithologies. Uraninite mineralization can probably be assigned to the beginning of the decompressional stage. A third regional deformation phase characterized by open folds and local foliation is not accompanied by significant growth of new minerals. However, pitchblende mineralization can be ascribed to this phase as late-stage, short-range remobilization of previously existing deposits. Finally, shallow alkaline massifs were emplaced when the level of the Domes Area now exposed was already subjected to exchange with meteoric circuits, activated by residual geothermal gradients generally related to intrusions or rifting. Most of the superficial U-showings with U-oxidation products were probably generated during this relatively recent phase.

Trace element chemistry and U-Pb dating of zircons from oceanic gabbros and their relationship with whole rock composition (Lanzo, Italian Alps)

The U-Pb ages and the trace element content of zircon U-Pb along with major and trace element whole rock data on gabbroic dikes from the Lanzo lherzolitic massif, N-Italy, have been determined to constrain crustal accretion in ocean-continent transition zones. Three Fe-Ti gabbros were dated from the central and the southern part of the massif providing middle Jurassic ages of 161 +/- 2, 158 +/- 2 and 163 +/- 1 Ma, which argue for magmatic activity over few millions of years. Zircon crystals are characterized by high but variable Th/U ratios, rare earth element patterns enriched in heavy rare earths, pronounced positive Ce and negative Eu-anomalies consistent with crystallization after substantial plagioclase fractionation. The zircon trace element composition coupled with whole rock chemistry was used to reconstruct the crystallization history of the gabbros. A number of gabbros crystallized in situ, and zircon precipitated from trapped, intercumulus liquid, while other gabbros represent residual liquids that were extracted from a cumulus pile and crystallized along syn-magmatic shear zones. We propose a model in which the emplacement mechanism of gabbroic rocks in ocean-continent transition zones evolves from in situ crystallization to stratified crystallization with efficient extraction of residual liquid along syn-magmatic shear zones. Such an evolution of the crystallization history is probably related to the thermal evolution of the underlying mantle lithosphere.

Growth mechanisms and timing of emplacement of a vertically layered mafic intrusion in the feeder zone of an ocean island volcano (Fuerteventura, Canary islands)

Résumé pour le grand public L'île de Fuerteventura (Canaries) offre l'occasion rare d'observer les racines d'un volcan océanique édifié il y a 25 à 30 millions d'années et complètement érodé. On y voit de nombreux petits plutons de forme et composition variées, témoignant d'autant d'épisodes de l'activité magmatique. L'un de ces plutons, appelé PX1, présente une structure inhabituelle formée d'une alternance de bandes verticales d'épaisseur métrique à hectométrique de roches sombres de composition pyroxénilique ou gabbroïque. Les pyroxénites résultent clairement de l'accumulation de cristaux de pyroxènes et non de la simple solidification d'un magma? Se pose dès lors la question de la nature du processus qui a conduit à l'accumulation verticale de niveaux concentrés en pyroxènes. En effet, les litages pyroxénitiques classiques sont subhorizontaux, car ils résultent de l'accumulation gravitaire des cristaux séparés du magma dont ils cristalli¬sent par sédimentation. Cette étude vise à identifier et comprendre les mécanismes qui ont engendré ce Iitage minéralogique vertical et l'im¬portant volume de ces faciès cumulatifs. Nous nous sommes également intéressés aux conditions de pression et de température régnant au moment de la mise en place du pluton, ainsi qu'à sa durée de vie et à sa vitesse de refroidis¬sement. Enfin une approche géochimique nous a permis de préciser la nature de la source mantellique des magmas liés à cette activité magmatique. PX1 est en réalité un complexe filonien formé à des conditions de pression et de température de 1-2 kbar et 1050- 1100°C; sa construction a nécessité au moins 150 km3 de magma. L'alternance d'horizons gabbroïques et pyroxéniti¬ques représente des injections successives de magma sous la forme de filons verticaux, mis en place dans un contexte régional en extension. L'étude des orientations des minéraux dans ces faciès révèle que les horizons gabbroïques enregistrent l'extension régionale, alors que les pyroxénites sont générées par une compaction au sein du pluton. Ceci suggère que le régime des contraintes, qui était extensif lors de l'initiation de la mise en place de PX1, est pério¬diquement devenu compressif au sein même du pluton. Cette compression serait liée à des cycles de mise en place où la vitesse de croissance du pluton dépassait celle de l'extension régionale. La différenciation observée au sein de chaque horizon, depuis des pyroxénites riches en olivine jusqu'à des pyroxé¬nites à plagioclase interstitiel et des gabbros, ainsi que la composition géochimique des minéraux qui les constituent suggèrent que chaque filon vertical s'est mis en place à partir d'un magma de composition identique, puis a évolué indépendamment des autres en fonction du régime thermique et du régime des contraintes local. Lorsque le magma en train de cristalliser s'est trouvé en compression, le liquide résiduel a été séparé des cristaux déjà formés et extrait du système, laissant derrière lui une accumulation de cristaux dont la nature et les proportions dépendaient du stade de cristallisation atteint par le magma au moment de l'extraction. Ainsi, les niveaux de pyroxénites à olivine (premier minéral à cristalliser) ont été formés lorsque le magma correspondant était encore peu cristallisé; à l'inverse, les py¬roxénites riches en plagioclase (minéral plus tardif dans la séquence de cristallisation) et certains gabbros à caractère cumulatif résultent d'une compression tardive dans le processus de cristallisation du filon concerné. Les liquides résiduels extraits des niveaux pyroxénitiques sont rarement observés dans PX1, certaines poches et filonets de com¬position anorthositique pourraient en être les témoins. L'essentiel de ces liquides a probablement gagné des niveaux supérieurs du pluton, voire la surface du volcan. L'origine du régime compressif périodique affectant les filons en voie de cristallisation est attribuée aux injections suivantes de magma au sein du pluton, qui se sont succédées à un rythme plus rapide que la vitesse de consolidation des filons. Des datations U/Pb de haute précision sur des cristaux de zircon et de baddeleyite ainsi que40Ar/39Ar sur des cris¬taux d'amphibole révèlent une initiation de la mise en place de PX1 il y a 22.1 ± 0,7 Ma; celle-ci a duré quelque 0,48 ± 0,22 à 0,52 ± 0,29 Ma. Ce laps de temps est compatible avec celui nécessaire à la cristallisation des filons individuels, qui va de moins d'une année lors de l'initiation du magmatisme à 5 ans lors du maximum d'activité de PX1. La présence de cristaux résorbés enregistrant une cristallisation complexe suggère l'existence d'une chambre mag¬matique convective sous-jacente à PX1 et périodiquement rechargée. Les compositions isotopiques des roches étu¬diées révèlent une source mantellique profonde de type point chaud avec une contribution du manteau lithosphéri- que métasomatisé présent sous les îles Canaries. Résumé L'intrusion mafique Miocène PX1 fait partie du soubassement superficiel (0.15-0.2 GPa, 1100 °Q d'un volcan d'île océanique. La particularité de ce pluton est l'existence d'alternances d'unités de gabbros et de pyroxénites qui met¬tent en évidence un litage magmatique vertical (NNE-SSW). Les horizons gabbroiques et pyroxénitiques sont constitués d'unités de différenciation métriques qui suggèrent tine mise en place par injections périodiques de filons verticaux de magma formant un complexe filonien. Chaque filon vertical a subi une différenciation parallèle à un front de solidification sub-vertical parallèle aux bords du filon. Les pyroxénites résultent du fractionnement et de l'accumulation d'olivine ± clinopyroxene ± plagioclase à partir d'un magma basaltique faiblement alcalin et sont interprétées comme étant des imités de différenciation tronquées dont le liquide interstitiel a été extrait par compaction. L'orientation préférentielle des clinopyroxènes dans ces pyroxe- nites (obtenues par analyse EBSD et micro-tomographique) révèle une composante de cisaillement simple dans la genèse de ces roches, ce qui confirme cette interprétation. La compaction des pyroxénites est probablement causée par a mise en place de filons de magma suivants. Le liquide interstitiel expulsé est probablement par ces derniers. Les clinopyroxènes des gabbros, montrent une composante de cisaillement pure suggérant qu'ils sont affectés par une déformation syn-magmatique parallèle aux zones de cisaillement NNE-SSW observées autour de PX1 et liées au contexte tectonique Miocène d'extension régionale. Ceci suggère que les gabbros sont liés à des taux de mise en place faibles à la fin de cycles d'activité magmatique et sont peu ou pas affectés par la compaction. L'initiation et la géométrie de PX1 sont donc contrôlées par le contexte tectonique régional d'extension alors que les taux et les volumes de magma dépendent de facteurs liés à la source. Des taux d'injection élevés résultent probable¬ment en une croissance du pluton supérieure à la place crée par cette extension. Dans ce cas de figure, la propagation des nouveaux dykes et l'inaptitude du magma à circuler à travers les anciens dykes cristallisés pourrait causer une augmentation de la pression non-lithostatique sur ces derniers, exprimée par un cisaillement simple et l'expulsion du liquide interstitiel qu'ils contiennent (documenté par les zones de collecte anorthositiques). Les compositions en éléments majeurs et traces des gabbros et pyroxenites de PX1 sont globalement homogènes et dépendent de la nature cumulative des échantillons. Cependant, de petites variations des concentrations en éléments traces ainsi que les teneurs en éléments traces des bordures de clinopyroxenes suggèrent que ces derniers ont subi un processus de rééquilibrage et de cristallisation in situ. L'homogénéité des compositions chimiques des échantillons, ainsi que la présence de grains de clinopyroxene résorbés suggère que le complexe filonien PX1 s'est mis en place au dessus d'une chambre magmatique périodiquement rechargée dans laquelle la convection est efficace. Chaque filon est donc issu d'un même magma, mais a subi une différenciation par cristallisation in situ (jusqu'à 70% de fraction¬nement) indépendamment des autres. Dans ces filons cristallisés, les minéraux cumulatifs subissent un rééquilibrage partiel avec les liquide interstitiel avant que ce dernier ne soit expulsé lors de la compaction (mettant ainsi un terme à la différenciation). Ce modèle de mise en place signifie qu'un minimum de 150Km3 de magma est nécessaire à la genèse de PX1, une partie de ce volume ayant été émis par le 'Central Volcanic Complex' de Fuerteventura. Les rapports isotopiques radiogéniques mesurés révèlent la contribution de trois pôles mantelliques dans la genèse du magma formant PX1. Le mélange de ces pôles HIMU, DMM et EM1 refléterai l'interaction du point chaud Cana¬rien avec un manteau lithosphérique hétérogène métasomatisé. Les petites variations de ces rapports et des teneurs en éléments traces au sein des faciès pourrait refléter des taux de fusion partielle variable de la source, résultant en un échantillonnage variable du manteau lithosphérique métasomatisé lors de son interaction avec le point chaud. Des datations U/Pb de haute précision (TIMS) sur des cristaux de zircon et de baddeleyite extraits de gabbros de PX1 révèlent que l'initiation de la cristallisation du magma a eu lieu il y a 22.10±0.07 Ma et que l'activité magmatique a duré un minimum de 0.48 à 0.52 Ma. Des âges 40Ar/39Ar obtenus sur amphibole sont de 21.9 ± 0.6 à 21.8 ± 0.3 Ma, identiques aux âges U/Pb. La combinaison de ces méthodes de datations, suggère que le temps maximum nécessaire à PX1 pour se refroidir en dessous de la température de fermeture de l'amphibole est de 0.8Ma. Ceci signifie que la durée de vie de PX1 est de 520 000 à 800 000 ans. La coexistence de cristaux de baddeleyite et de zircon dans un gabbro est attribuée à son interaction avec un fluide riche en C02 relâché par les carbonatites encaissantes lors du métamorphisme de contact généré par la mise en place de PX1 environ 160 000 ans après le début de sa mise en place. Les durées de vie obtenue sont en accord avec le modèle de mise en place suggérant une durée de cristallisation poux chaque filon allant de 1 an à 5 ans. Abstract The Miocene PX1 gabbro-pyroxenite intrusion (Fuerteventura, Canary Islands), is interpreted as the shallow-level feeder-zone (0.15-0.2 GPa and 1100-1120°C), to an ocean island volcano. The particularity of PX1 is that it displays a NNE-SSW trending vertical magmatic banding expressed by alternating gabbro and pyroxeriite sequences. The gabbro and pyroxenite sequences consist of metre-thick differentiation units, which suggest emplacement by pe¬riodic injection of magma pulses as vertical dykes that amalgamated, similarly to a sub-volcanic sheeted dyke com¬plex. Individual dykes underwent internal differentiation following a solidification front (favoured by a significant lateral/horizontal thermal gradient) parallel to the dyke edges. Pyroxenitic layers result from the fractionation and accumulation of clinopyroxene ± olivine ± plagioclase crystals from a mildly alkaline basaltic liquid and are interpre¬ted as truncated differentiation sequences, from which residual melts were extracted by compaction. Clinopyroxene mineral orientation in pyroxenites (evidenced by EBSD and micro X-ray tomography analysis) display a marked pure shear component, supporting this interpretation. Compaction and squeezing of the crystal mush is ascribed to the incoming and inflating magma pulses. The resulting expelled interstitial liquid was likely collected and erupted along with the magma flowing through the newly injected dykes. Gabbro sequences represent crystallised coalesced magma batches, emplaced at lower rates at the end of eruptive cycles, and underwent minor melt extraction as evi¬denced by clinopyroxene orientations that record a simple shear component suggesting syn-magmatic deformation parallel to observed NNF.-SSW trending shear-zones induced by the regional tensional Miocene stress-field. The initiation and geometry of PX1 is controlled by the regional extensional tectonic regime whereas rates and vo¬lumes of magma depend on source-related factors. High injection rates are likely to induce intrusion growth rates larger than could be accommodated by the regional extension. In this case, dyke tip geometry and the inability of magma to circulate through previously emplaced and crystallised dykes could result in an increase of non-lithostatic pressure on previously emplaced mushy dyke walls; generating strong pure-shear compaction and interstitial melt expulsion within the feeder-zone as recorded by the cumulitic pyroxenite bands and anorthositic collection zones. The whole-rock major and trace-element chemistry of PX1 gabbros and pyroxenites is globally homogeneous and controlled by the cumulate nature of the samples (i.e. on the modal proportions of olivine, pyroxene, plagioclase and oxides). However, small variations of whole-rock trace-element contents as well as trace-element contents of clinopyroxene rims suggest that in-situ re-equilibration and crystallisation has occurred. Additionally, the global homogeneity and presence of complex zoning of rare resorbed clinopyroxene crystals suggest that the PX1 feeder- zone overlies a periodically replenished and efficiently mixed magma chamber. Each individual dyke of magma thus originated from a compositionally constant mildly alkaline magma and differentiated independently from the others reaching up to 70% fractionation. Following dyke arrest these are affected by interaction with the trapped interstitial liquid prior to its compaction-linked expulsion (thus stopping the differentiation process). This emplacement model implies that minimum amount of approximately 150 km3 of magma is needed to generate PX1, part of it having been erupted through the overlying Central Volcanic Complex of Fuerteventura. The radiogenic isotope ratios of PX1 samples reveal the contribution on three end-members during magma genesis. This mixing of the H1MU, EMI and DMM end-members could reflect the interaction of the deep-seated Canarian mantle plume with a heterogeneous metasomatic and sepentininsed lithospheric mantle. Additionally, the observed trace-element and isotopic variations within the same fades groups could reflect varying degrees of partial melting of the source region, thus tapping more or less large areas of the metasomatised lithospheric mantle during interac¬tion with the plume. High precision ID-TIMS U/Pb zircon and baddeleyite ages from the PX1 gabbro samples, indicate initiation of magma crystallisation at 22.10 ± 0.07 Ma. The magmatic activity lasted a minimum of 0.48 to 0.52 Ma. 40Ar/39Ar amphibole ages are of 21.9 ± 0.6 to 21.8 ± 0.3, identical within errors to the U/Pb ages. The combination of the 40Ar/39Ar and U/Pb datasets imply that the maximum amount of time PX1 took to cool below amphibole Tc is 0.8 Ma, suggesting PX1 lifetime of 520 000 to 800 000 years. On top of this, the coexistence of baddeleyite and zircon in a single sample is ascribed to the interaction of PX1 with C02-rich carbonatite-derived fluids released from the host-rock carbonatites during contact metamorphism 160 000 years after PX1 initiation. These ages are in agreement with the emplacement model, implying a crystallisation time of less than 1 to 5 years for individual dykes.