Ambient vertical flow in long-screen wells: a case study in the Fontainebleau Sands Aquifer (France)

A tritium (H-3) profile was constructed in a long-screened well (LSW) of the Fontainebleau Sands Aquifer (France), and the data were combined with temperature logs to gain insight into the potential effects of the ambient vertical flow (AVF) of water through the well on the natural aquifer stratification. AVF is commonly taken into account in wells located in fracture aquifers or intercepting two different aquifers with distinct hydraulic heads. However, due to the vertical hydraulic gradient of the flow lines intercepted by wells, AVF of groundwater is a common process within any type of aquifer. The detection of 3H in the deeper parts of the studied well ( approximate depth 50m), where H-3-free groundwater is expected, indicates that shallow young water is being transported downwards through the well itself. The temperature logs show a nearly zero gradient with depth, far below the mean geothermal gradient in sedimentary basins. The results show that the age distribution of groundwater samples might be biased in relation to the age distribution in the surroundings of the well. The use of environmental tracers to investigate aquifer properties, particularly in LSWs, is then limited by the effects of the AVF of water that naturally occurs through the well.

Full-waveform inversion of cross-hole ground-penetrating radar data to characterize a gravel aquifer close to the Thur River, Switzerland

Cross-hole radar tomography is a useful tool for mapping shallow subsurface electrical properties viz. dielectric permittivity and electrical conductivity. Common practice is to invert cross-hole radar data with ray-based tomographic algorithms using first arrival traveltimes and first cycle amplitudes. However, the resolution of conventional standard ray-based inversion schemes for cross-hole ground-penetrating radar (GPR) is limited because only a fraction of the information contained in the radar data is used. The resolution can be improved significantly by using a full-waveform inversion that considers the entire waveform, or significant parts thereof. A recently developed 2D time-domain vectorial full-waveform crosshole radar inversion code has been modified in the present study by allowing optimized acquisition setups that reduce the acquisition time and computational costs significantly. This is achieved by minimizing the number of transmitter points and maximizing the number of receiver positions. The improved algorithm was employed to invert cross-hole GPR data acquired within a gravel aquifer (4-10 m depth) in the Thur valley, Switzerland. The simulated traces of the final model obtained by the full-waveform inversion fit the observed traces very well in the lower part of the section and reasonably well in the upper part of the section. Compared to the ray-based inversion, the results from the full-waveform inversion show significantly higher resolution images. At either side, 2.5 m distance away from the cross-hole plane, borehole logs were acquired. There is a good correspondence between the conductivity tomograms and the natural gamma logs at the boundary of the gravel layer and the underlying lacustrine clay deposits. Using existing petrophysical models, the inversion results and neutron-neutron logs are converted to porosity. Without any additional calibration, the values obtained for the converted neutron-neutron logs and permittivity results are very close and similar vertical variations can be observed. The full-waveform inversion provides in both cases additional information about the subsurface. Due to the presence of the water table and associated refracted/reflected waves, the upper traces are not well fitted and the upper 2 m in the permittivity and conductivity tomograms are not reliably reconstructed because the unsaturated zone is not incorporated into the inversion domain.

Shallow-level migmatization of gabbros in a metamorphic contact aureole, Fuerteventura Basal Complex, Canary Islands

Migmatization of gabbroic rocks at 2-3 kbar has occurred in the metamorphic contact aureole of a mafic pluton in the Fuerteventura Basal Complex (Canary Island;). Migmatites are characterized by a dense network: of closely spaced millimetre-wide leucocratic veins with perfectly preserved igneous textures. They are all relatively enriched in Al, Na I: Sr Ba, Nb, Y and the rare earth elements compared with the unaffected country rock beyond the aureole. Migmatization under such low-pressure conditions war possible because of the unusual tectonic and magmatic contact in which ii occurred. Multiple basic intrusions associated with extrusive volcanic activity created high heat flow in a small area. Alkaline and metasomatized rocks present in the country rock of the intruding pluton were leached by high-temperature fluids during contact metamorphism. These enriched fluids then favoured partial melting of the host gabbroic rocks, and contaminated both the leucosomes and melanosomes. A transpressive tectonic setting at the time of intrusion created shearing along the contact between the intrusion and its host rock. This shearing enhanced circulation of the fluids and allowed segregation of the nea-formed melts from their restite by opening tension veins into which the melts migrated. Depending on the relative timing of melt segregation and recrystallization leucosomes range in composition from a 40-60% mixture of clinopyroxene (+/- amphibole) and plagioclase to almost pure feldspathic veins. Comparable occurrences of gabbros migmatized at low pressure are expected only at a snail scale in localized areas of high heat flow in the presence of fluids, such as in. mid-ocean ridges or ocean-islands.

Permeability estimates from poro-elastic dispersion analyses of sonic logs

Modern sonic logging tools designed for shallow environmental and engineering applications allow for P-wave phase velocity measurements over a wide frequency band. Methodological considerations indicate that, for saturated unconsolidated sediments in the silt to sand range and source frequencies ranging from approximately 1 to 30 kHz, the observable poro-elastic P-wave velocity dispersion is sufficiently pronounced to allow for reliable first-order estimations of the underlying permeability structure. These predictions have been tested on and verified for a surficial alluvial aquifer. Our results indicate that, even without any further calibration, the thus obtained permeability estimates as well as their variabilities within the pertinent lithological units are remarkably close to those expected based on the corresponding granulometric characteristics.

Direct Determination of mechanical properties in shallow formations by (ultra) sonic methods

For several decades mechanical properties of shallow formations (soil) obtained by sonic to ultrasonic wave testing were reported to be greater than those based on mechanical tests. The present article relying on a statistical analysis of more than 300 tests shows that elastic moduli of the soil can indeed be obtained from (ultra)sonic tests and that they are identical to those resulting from mechanical tests.

An experimental study on the shallow-level migmatization of ferrogabbros from the Fuerteventura Basal Complex, Canary Islands

Spectacular shallow-level migmatization of ferrogabbroic rocks occurs in a metamorphic contact aureole of a gabbroic pluton of the Tierra Mala massif (TM) on Fuerteventura (Canary Islands). In order to improve our knowledge of the low pressure melting behavior of gabbroic rocks and to constrain the conditions of migmatization of the TM gabbros, we performed partial melting experiments on a natural ferrogabbro, which is assumed as protolith of the migmatites. The experiments were performed in an internally heated pressure vessel (IHPV) at 200 MPa, 930-1150 degreesC at relatively oxidizing conditions. Distinct amounts of water were added to the charge. From 930 to 1000 degreesC, the observed experimental phases are plagioclase (An(60-70)), clinopyroxene, amphibole (titanian magnesiohastingsites), two Fe-Ti oxides, and a basaltic, K-poor melt. Above 1000 degreesC, amphibole is no longer stable. The first melts are very rich in non-native plagioclase (>70 wt.%). This indicates that at the beginning of partial melting plagioclase is the major phase which is consumed to produce melt. In the experiments, plagioclase is stable up to high temperatures (1060 degreesC) showing increasing An content with temperature. This is not compatible with the natural migmatites, in which An-rich plagioclase is absent in the melanosomes, while amphibole is stable. Our results show that the partial melting of the natural rocks cannot be regarded as an ``in-situ'' process that occurred in a closed system. Considerable amounts of alkalis probably transported by water-rich fluids, derived from the mafic pluton underplating the TM gabbro, were necessary to drive the melting reaction out of the stability range of plagioclase. A partial melting experiment with a migmatite gabbro showing typical ``in-situ'' textures as starting material supports this assumption. Crystallization experiments performed at 1000 degreesC on a glass of the fitised ferrogabbro with different water contents added to the charge show that generally high water activities could be achieved (crystallization of amphibole), independently of the bulk water content, even in a system with very low initial bulk water content (0.3 wt.%). Increasing water contents produce plagioclase richer in An, reduces the modal proportion of plagioclase in the crystallizing assemblage and extends the melt fraction. High melt fractions of >30 wt.% could only be observed in systems with high bulk water contents (> - 2 wt.%). This indicates that the migmatites were generated under water-rich conditions (probably water-saturated), since those migmatites, which are characterized as ``in-situ'' formations, show generally high amounts of leucosomes (>30 wt.%). (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Insights into shallow magmatic processes in large silicic magma bodies: the trace element record in the Fish Canyon magma body, Colorado

Highly evolved rhyolite glass plus near-solidus mineral assemblages in voluminous, dacitic, crystal-rich ignimbrites provide an opportunity to evaluate the late magmatic evolution of granodiorite batholiths. This study reports laser-ablation ICP-MS analyses of trace element concentrations in feldspars, hornblende, biotite, titanite, zircon, magnetite, and interstitial glass of the crystal-rich Fish Canyon Tuff. The high-silica rhyolite glass is characterized by relatively high concentrations of feldspar-compatible elements (e.g., 100 ppm Sr and 500 ppm Ba) and low concentrations of Y (< 7 ppm) and HREE (&SIM; 1 ppm Yb), hence high LREE/HREE (Ce/Yb > 40) compared to many well-studied high-silica rhyolite glasses and whole-rock compositions. Most minerals record some trace element heterogeneities, with, in particular, one large hornblende phenocryst showing four- to six-fold core-to-rim increases in Sr and Ba coupled with a decrease in Sc. The depletions of Y and HREE in the Fish Canyon glass relative to the whole-rock composition (concentrations in glass &SIM; 30% of those in whole rocks) reflect late crystallization of phases wherein these elements were compatible. As garnet is not stable at the low-P conditions at which the Fish Canyon magma crystallized, we show that a combination of modally abundant hornblende (&SIM; 4%) + titanite (&SIM; 0.5-1%) and the highly polymerized nature of the rhyolitic liquid led to Y and HREE depletions in melt. Relatively high Sr and Ba contents in glass and rimward Sr and Ba increases in euhedral, concentrically zoned hornblende suggest partial feldspar dissolution and a late release of these elements to the melt as hornblende was crystallizing, in agreement with textural evidence for feldspar (and quartz) resorption. Both observations are consistent with thermal rejuvenation of the magma body prior to eruption, during which the proportion of melt increased via feldspar and quartz dissolution, even as hydrous and accessory phases were crystallizing. Sr/Y in Fish Canyon glass (13-18) is lower than the typical ``adakitic'' value (> 40), confirming that high Sr/Y is a reliable indicator of high-pressure magma generation and/or differentiation wherein garnet is implicated.

Remediation of a marine shore tailings deposit and the importance of water-rock interaction on element cycling in the coastal aquifer

We present the study of the geochemical processes associated with the first successful remediation of a marine shore tailings deposit in a coastal desert environment (Bahia de Ite, in the Atacama Desert of Peru). The remediation approach implemented a wetland on top of the oxidized tailings. The site is characterized by a high hydrauliz gradient produced by agricultural irrigation on upstream gravel terraces that pushed river water (similar to 500 mg/L SO(4)) toward the sea and through the tailings deposit. The geochemical and isotopic (delta(2)H(water) and delta(18)O(water), delta(34)S(sulfate) , delta(18)O(sulfate)) approach applied here revealed that evaporite horizons (anhydrite and halite) in the gravel terraces are the source of increased concentrations of SO(4), Cl, and Na up to similar to 1500 mg/L in the springs at the base of the gravel terraces. Deeper groundwater interacting with underlying marine sequences increased the concentrations of SO(4), Cl, and Na up to 6000 mg/L and increased the alkalinity up to 923 mg/L CaCO(3) eq. in the coastal aquifer. These waters infiltrated into the tailings deposit at the shelf-tailings interface. Nonremediated tailings had a low-pH oxidation zone (pH 1-4) with significant accumulations of efflorescent salts (10-20 cm thick) at the surface because of upward capillary transport of metal cations in the arid climate. Remediated tailings were characterized by neutral pH and reducing conditions (pH similar to 7, Eh similar to 100 mV). As a result, most bivalent metals such as Cu, Zn, and Ni had very low concentrations (around 0.01 mg/L or below detection limit) because of reduction and sorption processes. In contrast, these reducing conditions increased the mobility of iron from two sources in this system: (1) The originally Fe(III)-rich oxidation zone, where Fe(II) was reduced during the remediation process and formed an Fe(II) plume, and (2) reductive dissolution of Fe(III) oxides present in the original shelf lithology formed an Fe-Mn plume at 10-m depth. These two Fe-rich plumes were pushed toward the shoreline where more oxidizing and higher pH conditions triggered the precipitation of Fe(HI)hydroxide coatings on silicates. These coatings acted as a filter for the arsenic, which naturally infiltrated with the river water (similar to 500 mu g/L As natural background) into the tailings deposit.

Fracture imaging within a granitic rock aquifer using multiple-offset single-hole and cross-hole GPR reflection data

The sparsely spaced highly permeable fractures of the granitic rock aquifer at Stang-er-Brune (Brittany, France) form a well-connected fracture network of high permeability but unknown geometry. Previous work based on optical and acoustic logging together with single-hole and cross-hole flowmeter data acquired in 3 neighbouring boreholes (70-100 m deep) has identified the most important permeable fractures crossing the boreholes and their hydraulic connections. To constrain possible flow paths by estimating the geometries of known and previously unknown fractures, we have acquired, processed and interpreted multifold, single- and cross-hole GPR data using 100 and 250 MHz antennas. The GPR data processing scheme consisting of timezero corrections, scaling, bandpass filtering and F-X deconvolution, eigenvector filtering, muting, pre-stack Kirchhoff depth migration and stacking was used to differentiate fluid-filled fracture reflections from source generated noise. The final stacked and pre-stack depth-migrated GPR sections provide high-resolution images of individual fractures (dipping 30-90°) in the surroundings (2-20 m for the 100 MHz antennas; 2-12 m for the 250 MHz antennas) of each borehole in a 2D plane projection that are of superior quality to those obtained from single-offset sections. Most fractures previously identified from hydraulic testing can be correlated to reflections in the single-hole data. Several previously unknown major near vertical fractures have also been identified away from the boreholes.

Constraints on the permeability structure of alluvial aquifers from P-wave sonic logs

Modern sonic logging tools designed for shallow environmental and engineering applications allow for P-wave phase velocity measurements over a wide frequency band. Methodological considerations indicate that, for saturated unconsolidated sediments in the silt to sand range and source frequencies ranging from approximately 1 to 30 kHz, the observable poro-elastic P-wave velocity dispersion is sufficiently pronounced to allow for reliable first-order estimations of the underlying permeability structure. These predictions have been tested on and verified for a surficial alluvial aquifer. Our results indicate that, even without any further calibration, the thus obtained permeability estimates as well as their variabilities within the pertinent lithological units are remarkably close to those expected based on the corresponding granulometric characteristics.

Limits on the validity of infinite length assumptions for modelling shallow landslides

The infinite slope method is widely used as the geotechnical component of geomorphic and landscape evolution models. Its assumption that shallow landslides are infinitely long (in a downslope direction) is usually considered valid for natural landslides on the basis that they are generally long relative to their depth. However, this is rarely justified, because the critical length/depth (L/H) ratio below which edge effects become important is unknown. We establish this critical L/H ratio by benchmarking infinite slope stability predictions against finite element predictions for a set of synthetic two-dimensional slopes, assuming that the difference between the predictions is due to error in the infinite slope method. We test the infinite slope method for six different L/H ratios to find the critical ratio at which its predictions fall within 5% of those from the finite element method. We repeat these tests for 5000 synthetic slopes with a range of failure plane depths, pore water pressures, friction angles, soil cohesions, soil unit weights and slope angles characteristic of natural slopes. We find that: (1) infinite slope stability predictions are consistently too conservative for small L/H ratios; (2) the predictions always converge to within 5% of the finite element benchmarks by a L/H ratio of 25 (i.e. the infinite slope assumption is reasonable for landslides 25 times longer than they are deep); but (3) they can converge at much lower ratios depending on slope properties, particularly for low cohesion soils. The implication for catchment scale stability models is that the infinite length assumption is reasonable if their grid resolution is coarse (e.g. >25?m). However, it may also be valid even at much finer grid resolutions (e.g. 1?m), because spatial organization in the predicted pore water pressure field reduces the probability of short landslides and minimizes the risk that predicted landslides will have L/H ratios less than 25. Copyright (c) 2012 John Wiley & Sons, Ltd.

Evaporation from a shallow water table: Diurnal dynamics of measured and simulated water and heat regime at the vicinity of a drying sand surface

Accurate estimates of water losses by evaporation from shallow water tables are important for hydrological, agricultural, and climatic purposes. An experiment was conducted in a weighing lysimeter to characterize the diurnal dynamics of evaporation under natural conditions. Sampling revealed a completely dry surface sand layer after 5 days of evaporation. Its thickness was <1 cm early in the morning, increasing to reach 4?5 cm in the evening. This evidence points out fundamental limitations of the approaches that assume hydraulic connectivity from the water table up to the surface, as well as those that suppose monotonic drying when unsteady conditions prevail. The computed vapor phase diffusion rates from the apparent drying front based on Fick's law failed to reproduce the measured cumulative evaporation during the sampling day. We propose that two processes rule natural evaporation resulting from daily fluctuations of climatic variables: (i) evaporation of water, stored during nighttime due to redistribution and vapor condensation, directly into the atmosphere from the soil surface during the early morning hours, that could be simulated using a mass transfer approach and (ii) subsurface evaporation limited by Fickian diffusion, afterward. For the conditions prevailing during the sampling day, the amount of water stored at the vicinity of the soil surface was 0.3 mm and was depleted before 11:00. Combining evaporation from the surface before 11:00 and subsurface evaporation limited by Fickian diffusion after that time, the agreement between the estimated and measured cumulative evaporation was significantly improved.

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.

Partial melting of basic dykes in the contact aureoles of two shallow-level, gabbro-pyroxenite intrusions, Fuerteventura

THESIS ABSTRACT Low-pressure anatexis of basic dykes gave rise to unusual, zebra-like migmatites, in the contact metamorphic aureoles of two layered gabbro-pyroxenite intrusions, PXl and PX2, in the root zone of an ocean island, Fuerteventura Basal Complex (Canary Islands). This thesis focuses on the understanding of processes attributing to the partial melting and formation of these migmatites, characterised by a dense network of closely spaced, millimetre-wide leucocratic segregations with perfectly preserved igneous textures. The presence of fluids are required to decrease the solidus of basic igneous lithologies, to allow partial melting in such aloes-pressure (1-2 kb) environment. An oxygen isotope study was thus carried out on dykes inside and beyond the PX2 aureole, in order to decipher the nature and origin of such fluids. Low or negative δ18O values were obtained for whole rocks and mineral-separates, decreasing towards the contact, with the intrusion itself retaining fairly high values. This trend has been attributed to the advection of meteoric water during magma emplacement, with increasing fluid/rock ratios (higher dyke intensities towards the intrusion acting as fluid-pathways) and higher temperatures promoting increasing exchange during recrystallisation. A comparison of whole rock and mineral major- and trace- element data allowed the redistribution of elements .between different mineral phases and generations, during contact metamorphism and partial melting to be assessed. Certain trace-elements, e.g. Zr, Hf, Y, and REEs, were internally redistributed during contact metamorphic recrystallisation, causing- the enrichment of neocrystallised diopsides compared to relict phenocrysts. This has been assigned to the liberation of trace elements on the breakdown of primary minerals, kaersutite and sphene, on entering the thermal aureole. Major and trace element compositions of minerals in migmatite melanosomes and leucosomes are almost identical, pointing to a syn- or post- solidus reequilibration on cooling of the migmatite terrain. The mineralogical, textural and geochemical evolution of dykes in a contact metamorphic aureole, is recorded around an apophysis of the PX1 intrusion, where there is evidence of incipient partial melting. Hydrothermal mineral pseudomorphs in the outer parts of the aureole are progressively replaced by dry mineral assemblages, with increasingly recrystallised diopside and evidence of partial melting -the extent of which varies from one lithology to another. The appearance of more mafic lithologies towards the intrusion, with lower whole rock SiO2 and mobile element abundances, e.g. Rb, Cs, K, has been explained by the migration and accumulation of feldspathic material into leucosomes outside the samples. A micro-structural study of leucosomes and leucocratic pods, with the aid of high-resolution X-ray computed micro-tomography (HRXµCT), allowing the visualization and quantification of shapes and orientations, was carried out in order to better understand the processes of melt segregation in the PX1 aureole. Leucocratic pods, representing former amygdales, are considered as natural strain ellipsoids. Their short axes are oriented perpendicular to leucosome planes, which sub-parallel the intrusive contact. Leucosomes thus effectively represent foliation planes. This implies that the direction of maximum shortening, during migmatisation, was perpendicular to the orientation of leucosomes, contradicting earlier models that suggest leucosomes represent tension veins. RESUME DE LA THESE Un phénomène rare de fusion partielle de filons basiques à basse pression a été étudié dans les auréoles de contact de deux intrusions litées de gabbro-pyroxénite, PX1 et PX2, localisées dans le soubassement de l'île volcanique de Fuerteventura aux Canaries. Cette anatexie a engendré des migmatites finement zébrées d'aspect très inhabituel, dont les processus de formation ont été étudiés dans le présent travail. Ces roches sont caractérisées par un réseau dense de veinules leucocrates d'épaisseur millimétrique, dont les textures ignées sont parfaitement préservées. La fusion partielle de roches basiques à basse pression (1-2 kbar) requiert la présence d'eau afin d'abaisser le solidus du système à des températures géologiquement réalistes. Une étude comparative des isotopes de l'oxygène a ainsi été menée sur des filons respectivement affectés et non affectés par le métamorphisme de contact, afin de confirmer la présence de ces fluides, de déterminer l'importance de leur interaction avec les roches et leur origine. Des valeurs de δ180 basses ou négatives ont été mesurées sur roche totale et minéraux séparés, décroissantes en direction du contact, alors que l'intrusion elle-même a conservé des valeurs élevées. Ce gradient a été attribué à l'advection d'eau météorique durant la mise en place du magma, les températures les plus élevées favorisant d'autant plus la circulation des fluides et les échanges isotopiques durant la recristallisation des roches. Cette recristallisation engendré une redistribution chimique complète des éléments entre les différentes générations de minéraux résultant du métamorphisme de contact et de l'anatexie, mise en évidence par microanalyse. Certains éléments traces comme Zr, Hf, Y et les REE ont été concentrés dans le diopside néoformé consécutivement à la déstabilisation de minéraux primaires riches en ces éléments comme la kaersutite ou le sphène. Les compositions en éléments majeurs et traces des minéraux des mélanosomes et leucosomes des migmatites sont pratiquement identiques, indiquant une rééquilibration syn- à postsolidus lors du refroidissement de l'auréole de contact. La transformation progressive des filons basiques au niveau de leur minéralogie, textures et composition chimique a pu être observée en détail à l'approche du contact d'une apophyse de l'intrusion PX1. La paragenèse magmatique initiale n'est jamais préservée, les faciès les plus distants du contact étant constitués d'un assemblage pseudomorphique hydrothermal. Ce dernier est progressivement remplacé par des assemblages anhydres incluant du diopside néoformé, puis apparaissent les premiers signes de fusion partielle, dont l'importance varie fortement d'une lithologie à l'autre. L'apparition de faciès plus basiques en direction du contact, avec des teneurs réduites en SiO2 et en éléments incompatibles tels Rb, Cs, K, a été attribuée à l'échappement de leucosomes feldspathiques hors du système. Une étude microstructurale de la distribution spatiale du matériel leucocrate au sein des migmatites par microtomographie X de haute résolution (HRXµCT) a été menée pour mieux comprendre les processus de ségrégation des liquides dans l'auréole de PX1. De petites entités ovoïdes, représentant d'anciennes structures amygdalaires au sein des filons, ont été considérées comme des ellipsoïdes marqueurs de la déformation finie. Leur petit axe est orienté perpendiculairement aux plans définis par les leucosomes, eux-mêmes subparallèles au contact intrusif. Les leucosomes matérialisent donc des plans de clivage. Ainsi, la direction de raccourcissement maximum durant la fusion partielle était perpendiculaire à l'orientation des leucosomes, contrairement à ce qui a été dit dans de précédentes publications, qui suggéraient que les leucosomes représentaient des veines de tension. RESUME DE LA THESE (POUR LE GRAND PUBLIC) L'observation directe du soubassement d'une île volcanique est une occasion rare, accessible dans le «complexe de base » de l'île canarienne de Fuerteventura. Ce dernier a enregistré divers phénomènes magmatiques, métamorphiques et de fusion partielle induits par l'intrusion répétée de magmas alimentant des appareils volcaniques sus jacents, sous forme de petits plutons, essaims de filons et complexes annulaires de gabbros alcalins, pyroxénites, syénites et carbonatites. Dans ce contexte de flux de chaleur élevé, des filons basiques ont subi une fusion partielle au contact de deux intrusions de gabbro-pyroxénite, un phénomène extrêmement rare à une profondeur aussi réduite, estimée à quelque 3-6 km. Les produits de cette fusion partielle sont des liquides très riches en feldspath, concentrés en un réseau dense de veinules blanches (leucosomes) au sein du matériau résiduel sombre non fondu (mélanosome) pour former ce qu'on appelle des migmatites. Outre les aspects pétrologiques liés à la formation de ces migmatites, l'intérêt majeur du phénomène réside dans le fait qu'il puisse représenter la source des magmas évolués parfois observés sur les îles océaniques. A des pressions aussi faibles que dans le soubassement de Fuerteventura (1-2 Kbar), la présence de fluides abondants est nécessaire pour abaisser la température de début de fusion des roches (solidus) à des valeurs géologiquement réalistes. Des expériences ont montré que même en présence de plusieurs %-poids d'eau, une température de 1000°C était encore nécessaire pour obtenir une proportion de liquide équivalente à celle observée sur le terrain, soit 25%. Or les magmas alcalins des îles océaniques, bien qu'hydratés, n'en contiennent de loin pas autant, ce qui implique une source d'eau externe. Une étude isotopique de l'oxygène a été entreprise afin de tester cette hypothèse. Les valeurs obtenues en 5180 sont basses ou négatives et indiquent l'influence d'eau d'origine météorique. Cette eau de pluie se serait infiltrée le long des filons depuis la surface du volcan et les aurait complètement hydrothermalisés en profondeur (situation encore visible à l'extérieur de l'auréole de contact), leur permettant ainsi de stocker l'eau nécessaire à leur fusion partielle ultérieure. L'interaction entre eau de pluie et filons a été d'autant plus importante que ces derniers étaient proches du contact avec l'intrusion, ce qui suggère que la circulation de ces eaux et leur interaction avec les roches a été favorisée par la chaleur fournie par l'intrusion elle-même. Un autre aspect de ce travail s'est focalisé sur la redistribution des éléments traces au sein des minéraux des filons basiques durant le métamorphisme de contact et la fusion partielle. Ainsi, le pyroxène de seconde génération est-il sensiblement enrichi en traces telles Zr, Hf, Y et les terres rares, par rapport au pyroxène magmatique originel, en relation avec la déstabilisation de minéraux primaires riches en ces éléments tels le sphène et la kaersutite. Cependant, les compositions en éléments majeurs et traces des minéraux recristallisés des migmatites sont pratiquement les mêmes dans les leucosomes et les mélanosomes, suggérant une rééquilibration chimique complète durant le refroidissement de ces lithologies. Si certaines migmatites se sont comportées en système chimiquement fermé (hormis l'eau météorique), d'autres filons ont manifestement perdu une partie de leurs leucosomes, ainsi qu'en témoigne leur composition progressivement appauvrie en silice et autres éléments incompatibles mobiles, tels K et Rb à l'approche du contact de l'intrusion. Parallèlement à cette évolution chimique, les paragenèses hydrothermales distantes du contact sont progressivement remplacées par des paragenèses anhydres, puis par l'apparition des premiers leucosomes, tandis que les textures magmatiques initiales sont complètement effacées au profit d'une combinaison de textures magmatique dans les leucosomes et en mosaïque dans les mélanosomes. Enfin, la distribution spatiale des liquides de fusion partielle a été étudiée par microtomographie X de haute résolution, dans des filons contenant des entités ovoïdes leucocrates, sans doute d'anciennes amygdales à zéolites. Ces dernières ont été considérées comme des ellipsoïdes de la déformation finie. L'orientation de leur petit axe, perpendiculaire au plan défini par les veinules de leucosomes, indique que ces derniers représentent des plans de clivage perpendiculaires à la direction de raccourcissement maximum. Ainsi, la ségrégation des liquides de fusion partielle se serait faite dans les plans de compression et non dans des plans de dilatation, contrairement à ce que laisserait penser le sens commun.