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.

Divergent and convergent margins in the north-western Alps - Confrontation to actualistic models

Divergent and convergent margins actualistic models are reviewed and applied to the history of the western Alps. Tethyan rifting history and geometry are analyzed: the northern European margin is considered as an upper plate whereas the southern Apulian margin is a lower plate; the Breche basin is regarded as the former break-away trough; the internal Brianconnais domain represents the northern rift shoulder whilst the more external domains are regarded as the infill of a complex rim basin locally affected by important extension (Valaisan and Vocontain trough). The Schistes lustres and ophiolites of the Tsate nappe are compared to an accretionary prism: the imbrication of this nappe elements is regarded as a direct consequence of the accretionary phenomena already active in early Cretaceous; the Gets/Simme complex could orginate from a more internal part of the accretionary prism. Some eclogitic basements represent the former Apulian margin substratum (Sesia) others (Mont-Rose) are interpreted as the former edge of the European margin. The history of the closing Tethyan domain is analyzed and the remaining problems concerning the cinematics, the presence/absence of a volcanic arc and the eoalpine metamorphism are discussed.

The newly defined "Greenstone Unit'' of the Aiguilles Rouges massif (western Alps): remnant of an Early Palaeozoic oceanic island-arc ?

In the southwestern part of the Aiguilles Rouges massif (pre-Alpine basement of the Helvetic realm, western Alps), a metavolcanic sequence, newly defined as the ``Greenstone Unit'',is exposed in two NS trending belts of several 100 metres in thickness. It consists of epidote amphibolites, partly epidote and/or calcic amphibole-bearing greenschists, and small amounts of alkali feldspar-bearing greenschists, which underwent low- to medium-grade metamorphism during Visean oblique collision. Metamorphic calcic amphiboles and epidotes show strong chemical zoning, whereas metamorphic plagioclase is exclusively albitic in composition (An 1-3). The SiO2 content of the subalkaline tholeiitic to calc-alkaline suite ranges continuously from 44 wt% to 73 wt%,but andesitic rocks predominate. The majority of samples have chemical compositions close to recent subduction-related lavas; some are even restricted to recent oceanic arcs (extremely low Ta and Nb contents, high La/Nb and Th/Ta ratios). But several basaltic to basalto-andesitic samples resemble continental tholeiites (low Th/Ta, La/Nb ratio). As it is very probable that both lava types are to some extent contemporaneous, it is proposed that the Greenstone Unit represents a former oceanic volcanic are which temporarily underwent extension during which emplacement of continental tholeiite-like rocks occurred. The cause of the extension remains ambiguous. Considering palaeotectonic significance and age of other metavolcanic units in the Aiguilles Rouges massif, the Greenstone Unit most likely formed in the Early Palaeozoic.

Bimodal magmatism as a consequence of the post-collisional readjustment of the thickened Variscan continental lithosphere (Aiguilles Rouges - Mont Blanc Massifs, Western Alps)

High Precision U-Pb zircon and monazite dating in the Aiguilles Rouges-Mont Blanc area allowed discrimination of three short-lived bimodal magmatic pulses: the early 332 Ma Mg-K Pormenaz monzonite and associated 331 Ma peraluminous Montees Pelissier monzogranite; the 307 Ma cordierite-bearing peraluminous Vallorcine and Fully intrusions; and the 303 Fe-K Mont Blanc syenogranite. All intruded syntectonically along major-scale transcurrent faults at a time when the substratum was experiencing tectonic exhumation, active erosion recorded in detrital basins and isothermal decompression melting dated at 327-320 Ma. Mantle activity and magma mixing are evidenced in all plutons by coeval mafic enclaves, stocks and synplutonic dykes. Both crustal and mantle sources evolve through time, pointing to an increasingly warm continental crust and juvenile asthenospheric mantle sources. This overall tectono-magmatic evolution is interpreted in a scenario of post-collisional restoration to normal size of a thickened continental lithosphere. The latter re-equilibrates through delamination and/or erosion of its mantle root and tectonic exhumation/erosion in an overall extensional regime. Extension is related to either gravitational collapse or back-are extension of a distant subduction zone.

Garnet growth in the metasediments of the Zermatt-Saas Fee zone (western alps)

The Zermatt-Saas Fee Zone (ZSZ) in the Western Alps consists of multiple slices of ultramafic, mafic and metasedimentary rocks. They represent the remnants of the Mesozoic Piemonte-Ligurian oceanic basin which was subducted to eclogite facies conditions with peak pressures and temperatures of up to 20-28 kbar and 550-630 °C, followed by a greenschist overprint during exhumation. Previous studies, emphasizing on isotopie geochronology and modeling of REE-behavior in garnets from mafic eclogites, suggest that the ZSZ is buildup of tectonic slices which underwent a protracted diachronous subduction followed by a rapid synchronous exhumation. In this study Rb/Sr geochronology is applied to phengite included in garnets from metasediments of two different slices of the ZSZ to date garnet growth. Inclusion ages for 2 metapelitic samples from the same locality from the first slice are 44.25 ± 0.48 Ma and 43.19 ± 0.32 Ma. Those are about 4 Ma older than the corresponding matrix mica ages of respectively 40.02 ± 0.13 Ma and 39.55 ± 0.25 Ma. The inclusion age for a third calcschist sample, collected from a second slice, is 40.58 ± 0.24 Ma and the matrix age is 39.8 ± 1.5 Ma. The results show that garnet effectively functioned as a shield, preventing a reset of the Rb/Sr isotopie clock in the included phengites to temperatures well above the closure of Sr in mica. The results are consistent with the results of former studies on the ZSZ using both Lu/Hf and Sm/Nd geochronology on mafic eclogites. They confirm that at least parts of the ZSZ underwent close to peak metamorphic HP conditions younger than 43 m.y. ago before being rapidly exhumed about 40 m.y. ago. Fluid infiltration in rocks of the second slice occurred likely close to the peak metamorphic conditions, resulting in rapid growth of garnets. Similar calcschists from the same slice contain two distinct types of porphyroblast garnets with indications of multiple growth pulses and resorption indicated by truncated chemical zoning patterns. In-situ oxygen isotope Sensitive High Resolution Ion Microprobe (SHRIMP) analyses along profiles on central sections of the garnets reveal variations of up to 5 %o in individual garnets. The complex compositional zoning and graphite inclusion patterns as well as the variations in oxygen isotopes correspond to growing under changing fluid composition conditions caused by external infiltrated fluids. The ultramafic and mafic rocks, which were subducted along with the sediments and form the volumetrically most important part of the ZSZ, are the likely source of those mainly aqueous fluids. - La Zone de Zermatt-Saas Fee (ZZS) est constituée de multiples écailles de roches ultramafiques, mafiques et méta-sédimentaires. Cette zone, qui affleure dans les Alpes occidentales, représente les restes du basin océanique Piémontais-Ligurien d'âge mésozoïque. Lors de la subduction de ce basin océanique à l'Eocène, les différentes roches composant le planché océanique ont atteint les conditions du faciès éclogitique avec des pressions et des températures maximales estimées entre 20 - 28 kbar et 550 - 630 °C respectivement, avant de subir une rétrogression au faciès schiste vert pendant l'exhumation. Différentes études antérieures combinant la géochronologie isotopique et la modélisation des mécanismes gouvernant l'incorporation des terres rares dans les grenats des éclogites mafiques, suggèrent que la ZZS ne correspond pas à une seule unité, mais est constituée de différentes écailles tectoniques qui ont subi une subduction prolongée et diachrone suivie d'une exhumation rapide et synchrone. Afin de tester cette hypothèse, j'ai daté, dans cette étude, des phengites incluses dans les grenats des méta-sédiments de deux différentes écailles tectoniques de la ZZS, afin de dater la croissance relative de ces grenats. Pour cela j'ai utilisé la méthode géochronologique basée sur la décroissance du Rb87 en Sr87. J'ai daté trois échantillons de deux différentes écailles. Les premiers deux échantillons proviennent de Triftji, au nord du Breithorn, d'une première écaille dont les méta-sédiments sont caractérisés par des bandes méta-pélitiques à grenat et des calcschistes. Le troisième échantillon a été collectionné au Riffelberg, dans une écaille dont les méta-sédiments sont essentiellement des calcschistes qui sont mélangés avec des roches mafiques et des serpentinites. Ce mélange se trouve au-dessus de la grande masse de serpentinites qui forment le Riffelhorn, le Trockenersteg et le Breithorn, et qui est connu sous le nom de la Zone de mélange de Riffelberg (Bearth, 1953). Les inclusions dans les grenats de deux échantillons méta-pélitiques de la première écaille sont datées à 44.25 ± 0.48 Ma et à 43.19 ± 0.32 Ma. Ces âges sont à peu près 4 Ma plus vieux que les âges obtenus sur les phengites provenant de la matrice de ces mêmes échantillons qui donnent des âges de 40.02 ± 0.13 Ma et 39.55 ± 0.25 Ma respectivement. Les inclusions de phengite dans les grenats appartenant à un calcschiste de la deuxième écaille ont un âge de 40.58 ± 0.24 Ma alors que les phengites de la matrice ont un âge de 39.8 ± 1.5 Ma. Pour expliquer ces différences d'âge entre les phengites incluses dans le grenat et les phengites provenant de la matrice, nous suggérons que la cristallisation de grenat ait permis d'isoler ces phengites et de les préserver de tous rééquilibrage lors de la suite du chemin métamorphique prograde, puis rétrograde. Ceci est particulièrement important pour expliquer l'absence de rééquilibrage des phengites dans des conditions de températures supérieures à la température de fermeture du système Rb/Sr pour les phengites. Les phengites en inclusions n'ayant pas pu être datées individuellement, nous interprétons l'âge de 44 Ma pour les inclusions de phengite comme un âge moyen pour l'incorporation de ces phengites dans le grenat. Ces résultats sont cohérents avec les résultats des études antérieures de la ZZS utilisant les systèmes isotopiques de Sm/Nd et Lu/Hf sur des eclogites mafiques. ils confirment qu'aux moins une partie de la ZZS a subi des conditions de pression et de température maximale il y a moins de 44 à 42 Ma avant d'être rapidement exhumée à des conditions métamorphiques du faciès schiste vert supérieur autour de 40 Ma. Cette étude détaillée des grenats a permis, également, de mettre en évidence le rôle des fluides durant le métamorphisme prograde. En effet, si tous les grenats montrent des puises de croissance et de résorption, on peut distinguer, dans différents calcschists provenant de la deuxième écaille, deux types distincts de porphyroblast de grenat en fonction de la présence ou non d'inclusions de graphite. Nous lions ces puises de croissances/résorptions ainsi que la présence ou l'absence de graphite en inclusion dans les grenats à l'infiltration de fluides dans le système, et ceci durant tous le chemin prograde mais plus particulièrement proche et éventuellement peu après du pic du métamorphisme comme le suggère l'âge de 40 Ma mesuré dans les inclusions de phengites de l'échantillon du Riffelberg. Des analyses in-situ d'isotopes d'oxygène réalisé à l'aide de la SHRIMP (Sensitive High Resolution Ion Microprobe) dans des coupes centrales des grenats indiquent des variations jusqu'à 5 %o au sein même d'un grenat. Les motifs de zonations chimiques et d'inclusions de graphite complexes, ainsi que les variations du δ180 correspondent à une croissance de grenat sous des conditions de fluides changeantes dues aux infiltrations de fluides externes. Nous lions l'origine de ces fluides aqueux aux unités ultramafiques et mafiques qui ont été subductés avec les méta-sédiments ; unités ultramafiques et mafiques qui forment la partie volumétrique la plus importante de la ZZS.

Early Carboniferous age of the Versoyen ophiolites and consequences: non-existence of a "Valais ocean'' (Lower Penninic, western Alps)

Ophiolites occur at several places in the Lower Penninic of the W and Central Alps. They are generally ascribed to oceanic crust of a so-called ``Valais ocean'' of Cretaceous age which plays a fundamental role in many models of Alpine paleogeography and geodynamics. The type locality and only observational base for the definition of a ``Valais ocean'' in the W Alps is the Versoyen ophiolitic complex, on the French-Italian boundary W of the Petit St-Bernard col. The idea of a "Valais ocean'' is based on two propositions that are since 40 years the basis for most reconstructions of the Lower Penninic: (1) The Versoyen forms the (overturned) stratigraphic base of the Cretaceous-Tertiary Valais-Tarentaise series; and (2) it has a Cretaceous age. We present new field and isotopic data that severely challenge both propositions. (1) The base of the Versoyen ophiolite is a thrust. It overlies a wildflysch with blocks of Versoyen rocks, named the Mechandeur Formation. This ``supra-Tarentaise'' wildflysch has been confused with an (overturned) stratigraphic transition from the Versoyen to the Valais-Tarentaise series. Thus the contact Versoyen/Tarentaise is not stratigraphic but tectonic, and the Versoyen ophiolite has no link with the Valais basin. This thrust corresponds to an inverse metamorphic discontinuity and to an abrupt change in tectonic style. (2) The contact of the Versoyen complex with the overlying Triassic-Jurassic Petit St-Bernard (PSB) series is stratigraphic (and not tectonic as admitted by all authors since 50 years). Several types of sedimentary structures polarize it and show that the PSB series is younger than the Versoyen. Consequently the Versoyen ophiolitic complex is Paleozoic and forms the basement of the PSB Mesozoic sediments. They both belong to a single tectonic unit, named the Versoyen-Petit St-Bernard nappe. (3) Ion microprobe U-Pb isotopic data on zircons from the main gabbroic intrusion in the Versoyen complex give a crystallization age of 337.0 +/- 4.1 Ma (Visean, Early Carboniferous). These zircons show typical oscillatory zoning and no overgrowth or corrosion. and are interpreted to date the Versoyen magmatism. These U-Pb data are in excellent agreement with our field observations and confirm the Paleozoic age of the Versoyen ophiolite. The existence of a ``Valais ocean'' of Cretaceous age in the W Alps becomes very improbable. The eclogite facies metamorphism of the Versoyen-Petit St-Bernard nappe results from an Alpine intra-continental subduction, guided by a Paleozoic oceanic suture. This is an example of the lone term influence of inherited deep-seated structures on a Much younger orogeny. This might well be a major cause of of the inherent complexity of the Alps.

The cover basement contact beneath the Rawil axial depression (Western Alps) - True amplitude seismic processing, petrophysical properties, and modeling

Since 1986, several near-vertical seismic reflection profiles have been recorded in Switzerland in order to map the deep geologic structure of the Alps. One objective of this endeavour has been to determine the geometries of the autochthonous basement and of the external crystalline massifs, important elements for understanding the geodynamics of the Alpine orogeny. The PNR-20 seismic line W1, located in the Rawil depression of the western Swiss Alps, provides important information on this subject. It extends northward from the `'Penninic front'' across the Helvetic nappes to the Prealps. The crystalline massifs do not outcrop along this profile. Thus, the interpretation of `'near-basement'' reflections has to be constrained by down-dip projections of surface geology, `'true amplitude'' processing, rock physical property studies and modelling. 3-D seismic modelling has been used to evaluate the seismic response of two alternative down-dip projection models. To constrain the interpretation in the southern part of the profile, `'true amplitude'' processing has provided information on the strength of the reflections. Density and velocity measurements on core samples collected up-dip from the region of the seismic line have been used to evaluate reflection coefficients of typical lithologic boundaries in the region. The cover-basement contact itself is not a source of strong reflections, but strong reflections arise from within the overlaying metasedimentary cover sequence, allowing the geometry of the top of the basement to be determined on the basis of `'near-basement'' reflections. The front of the external crystalline massifs is shown to extend beneath the Prealps, about 6 km north of the expected position. A 2-D model whose seismic response shows reflection patterns very similar to the observed is proposed.

Early Variscan I-type pluton in the pre-Alpine basement of the Western Alps: The ca. 360 Ma Cogne diorite (NW-Italy)

Located at the internal border of the Grand-Saint-Bernard Zone, the diorite and its aureole lie on top of intensively studied Alpine eclogitic units but this pluton, poorly studied yet, has kept locally almost undeformed. The pluton intruded, at similar to 360 Ma, country-rocks mostly composed of dark shales with Na2O > K2O and minor mafic intercalations of tholeiitic basalt affinity. This association is characteristic of the Vanoise (France) basement series, where available age determinations suggest an Early Paleozoic age. Parts of the pluton, and of its hornfels aureole that is evidenced here for the first time, in the Punta Bioula section of Valsavaranche valley (NW-Italy), have been well-preserved from the Alpine deformation. Syn-emplacement hardening, dehydration-induced, probably prevented strain-enhanced Alpine recrystallization. Magmatic rock-types range continuously from subordinate mafic types at SiO2 similar to 48%, of hornblendite with cumulative or appinite affinities, to the main body of quartz diorite to quartz monzonite (SiO2 up to 62%). P-T estimates for the pluton emplacement, based on the abundance of garnet in the hornfelses, using also zircon and apatite saturation thermometry and Al-in-hornblende barometry, suggest T similar to 800-950 degrees C and minimum P in the 0.2-0.5 GPa range, with records of higher pressure conditions (up to 1-2 GPa?) in hornblendite phlogopite-cored amphibole. The high-K, Na > K, calcalkaline geochemistry is in line with a destructive plate-margin setting. Based on major element data and radiogenic isotope signature (epsilon Nd-360 Ma from -1.2 to + 0.9, Sr-87/Sr-86(360 MA) from 0.7054 to 0.7063), the parental magmas are interpreted in terms of deep-seated metabasaltic partial melts with limited contamination from shallower sources, the low radiogenic Nd-content excluding a major contribution from Vanoise tholeiites. There is no other preserved evidence for Variscan magmatism of similar age and composition in the Western Alps, but probable analogs are known in the western and northern parts of French Massif Central. Regarding the Alpine tectonics, not only the age of the pluton and its host-rocks (instead of the Permo-Carboniferous age previously believed), but also its upper mylonitic contact, suggest revisions of the Alpine nappe model. The Cogne diorite allegedly constituted the axial part of the E-verging ``pli en retour [backfold] du Valsavaranche'', a cornerstone of popular Alpine structural models: in fact, the alleged fold limbs, as attested here by field and geochemical data, do not belong to the same unit, and the backfold hypothesis is unfounded. (C) 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

U-Pb zircon dating in the middle Penninic basement of the Western Alps (Valais, Switzerland)

New ages (U-Pb isotopic data) on zircon and monazite in the pre-Alpine basement of the Penninic realm (Valais, Switzerland) are presented. They are related to a Variscan metamorphic high-grade event (ca. 330 Ma) and to post-Variscan magmatic activities (ca. 270 Ma).

Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps

Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps Darbellay Bastien Institut de Minéralogie et Géochimie Résumé grand public Comme toute matière, la roche est sensible à son environnement et cherche à s'adapter pour acquérir un état stable (état d'équilibre). Les changements des conditions physiques (température et pression) vont ainsi impliquer des modifications dans la roche. Le métamorphisme est l'étude de ces changements. Les minéraux qui constituent la roche peuvent modifier, leur structure, leur chimie ou être remplacer par d'autres minéraux plus stables. Il est ainsi crucial de déterminer les processus responsables et limitant de la croissance minérale. Trois processus permettent la croissance ; (1) la dissolution des éléments du réactant, (2) le transport de ces éléments vers le site de croissance, (3) l'incorporation de ces éléments dans la nouvelle structure. Cette thèse se focalise sur les structures des minéraux de haute pression (forme, zonation chimique, structure interne) pour essayer de déterminer les facteurs importants à l'origine de leur état final. Les zones d'étude se situent dans la zone de Sésia. La première partie traite de la problématique liée à l'incorporation d'un élément dans une structure minérale. A l'image de la croissance humaine, les irrégularités minéralogiques permettent de mettre en lumière un dysfonctionnement de la croissance due à un excès ou à une carence d'un élément. Bien dosé, cet élément est cependant essentiel à la croissance. Les zoisites (épidotes) des métabasites de la région de Cima di Bonze montrent une zonation chimique en sablier. Dans cette zonation la teneur en fer excède la capacité maximum que peut contenir la structure orthorhombique de la zoisite. Des défauts de structure permettent l'accommodation de cet excès. La zoisite peut ainsi adapter sa structure pour permettre l'incorporation d'une relativement grande quantité de fer. Les études précédentes montraient, pour des conditions similaires, la formation de deux épidotes distinctes. La deuxième partie se penche sur la compétition entre le minéral qui fait sa croissance et les minéraux (réactants) qui l'entourent. Les métapélites de la région du Monte Mucrone contiennent des grenats atollaires. Des études détaillées de la texture et de la zonation chimique du grenat ainsi qu'une modélisation thermodynamique ont permis de mieux cerner les facteurs importants responsables de la forme atollaire. Cette structure est obtenue par un changement du comportement de la croissance du grenat le long d'un chemin P-T hercynien. Dans un premier stade, le grenat croît rapidement et consume peu le quartz de la matrice. La croissance se fait ainsi le long des jointures des grains de quartz. Dans un second temps, les changements de conditions PT donnent une croissance lente du grenat et une forte consommation du quartz. Le grenat peut ainsi développer sa forme dodécaédrale classique. La troisième partie s'intéresse aux distances de transport par diffusion d'un élément (ici l'argon) durant la haute pression. Pour ce faire, un profile d'âges 40Ar/39Ar sur biotite a été mesuré depuis un veine de haute pression riche en argon jusque dans son encaissant (granitoïd du Monte Mucrone). Le profile montre une répartition des âges suivant une courbe de diffusion. Le transport se fait sur une longueur de deux centimètre avec l'aide d'un fluide. Il est réduit à une échelle millimétrique quand la phase fluide disparaît. Cette étude montre ainsi les difficultés de transport des éléments durant la haute pression ne permettant pas un rééquilibrage de la roche à grande échelle. Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps Darbellay Bastien Institut de Minéralogie et Géochimie Résumé de thèse Les processus de croissance (diffusion des éléments et les réactions d'interface) et les conditions dans lesquelles les minéraux grandissent (température, pression, fluide, composition chimique de la roche), déterminent la texture ainsi que la zonation des minéraux. Cette thèse se focalise, par le biais de textures peu communes, sur trois différents processus impliqués dans la croissance minérale à haute pression (Zone de Sésia, Alpes de l'Ouest, Italie). L'incorporation d'un élément dans une structure minérale ne peut se faire que dans des sites en accord avec la taille et la charge ionique de l'élément. De plus, la balance de charge doit être maintenue dans le minéral. La régularité de la structure cristalline fixe ainsi une limite maximum de concentration d'un élément donné. Les zoisites provenant des métabasites de la région de Cima di Bonze montrent des zonations en sablier caractérisées par une concentration anormale en fer. La zonation se marque par une différente teinte de biréfringence et par un plus grand angle d'extinction que le reste de la zoisite. Une inter-croissance de clinozoisite à l'intérieur de la structure orthorhombique de la zoisite peut ainsi être suspectée. Les analyses XRD (diffraction des rayons x) ainsi que les analyses Raman ne confirment pas cette suspicion. Seules les analyses TEM (microscope à électrons transmis) montrent des défauts de structure pouvant être interprétés comme des modules de clinozoisite. Ils ne peuvent cependant pas être considérés comme une phase thermodynamique. Un nouveau trou d'immiscibilité entre deux zoisite (X ep= 0.1 and Xep = 0.15) a ainsi pu être établi. Dans les métapélites la région du Monte Mucrone, des grenats fortement zonés montrent une évolution texturale singulière. Ils présentent une forme initiale de `champignon' qui se développe pour former une structure atollaire finale. L'étude conjuguée de la structure 3D et des zonations, ainsi que l'établissement d'un model thermodynamique, indiquent que ces structures proviennent de deux épisodes de croissances : (1) La croissance du grenat durant un chemin prograde hercynien (de 525 °C et 6.2 kbar à 640 °C et 9 kbar) permet la formation des textures atollaires. Elles sont le résultat d'une croissance poecilitique initiale suivie d'une croissance idiomorphique du grenat. (2) La structure est rendue plus complexe par la cristallisation d'un grenat homogène tout autour ainsi qu'à l'intérieur du grenat hercynien durant la haute pression alpine (550 °C and 20 kbar). L'arrivée de l'eau durant la haute pression facilite le transport d'éléments et permet une cristallisation rapide du grenat. La diffusion peut être un facteur limitant de la croissance minéralogique. Elle a aussi une grande importance pour la géochronologie. Une veine de haute pression à l'intérieur du granitoïde du Monte Mucrone a été étudiée dans le but de déterminer la distance de diffusion de l'argon. Le profile d'âges 40Ar/39Ar sur biotites, établi de la veine vers le métagranitoïde, suit une courbe de diffusion. Les âges sont élevés proche de la veine (800 Ma) puis décroissent jusqu'à des âges homogènes (170-150 Ma) à deux centimètres de la veine. La présence de fluide, marqué par de hautes concentrations en chlore, permet une diffusion centimétrique. Cependant, la distance est réduite à une échelle millimétrique quand le fluide est absent. Les très faibles distances de diffusion préservent les âges pré-alpins et impliquent un événement géologique pour les âges de 170-150 Ma. Kinetics of crystal growth and equilibrium domains in eclogite of the Sesia Zone, Western Alps Darbellay Bastien Institut de Minéralogie et Géochimie Thesis abstract Rock textures and zonings are the consequence of growth processes (element diffusion and interface reaction) steered by the environment in which they grew (pressure, differential stress, temperature, fluid and rock composition). The thesis presented here focuses on three different topics, each of it dealing with aspects of mineral growth processes during subduction, in a high-pressure environment. All studies were conducted in the Sesia Zone of the Western European Alps, Italy. The first study addresses the crystallography and geochemistry of element incorporation in zoisite, one of the major hydrous minerals found in subduction zone rocks. Elements can be incorporated into a mineral structure only on crystallographic sites that offer enough space for the ion and the overall charge balance has to be maintained. Element concentrations are hence limited. Incorporation of some elements produces complex zoning, including hourglass like patterns, which are the focus of the first contribution. Zoisites from Cima di Bonze (Sesia Zone) show spectacular hourglass zoning defined by Fe-content variations. The hourglass zones have a distinct birefringence and a different extinction angle than the regular part of the zoisite. We show by detailed XRD (X-ray diffraction) and confocal Raman analyses that the high Fe-zones are nevertheless zoisite, and not clinozoisite as one might expect. High resolution TEM (transmission electron microscopy) analyses show planar defects on (100) that can be interpreted as small-scale clinozoisite modules. However, these clinozoisites cannot be interpreted as a distinctive thermodynamic phase and the entire mineral has to be considered as zoisite. The miscibility gap between two zoisites (Xep = 0.1 and Xep = 0.15) can be then definite at 550 ± 50°C and 14 to 20 Kbar. Strongly zoned garnets in quartz rich metapelite from the Monte Mucrone area (Sesia Zone) show evolution form 3D mushroom to atoll structure. The second contribution presents textural investigations, garnet zoning and thermodynamic modeling that demonstrate that atoll garnets are the result of two distinctive growth events. (1) Garnet atoll structure is already formed during a prograde Hercynian path from 525 °C and 6.2 kbar to 640 °C and 9 kbar. It results in an initial poikilitic growth followed by a final idiomorphic growth event. (2) Alpine HP garnet are homogenous (550 °C and 20 kbar) and grew around and also inside the Hercynian garnet. Lack of prograde Alpine garnet and fast growth of the HP garnet is explained by the absence of water during much of the prograde path. Water saturation was only observed towards the end, close towards the peak metamorphic conditions. Diffusion could be a limiting factor for crystal growth. It has also a great importance in geochronology. HP vein inside the metagranitoide of the Monte Mucrone (~300 Ma) was investigated to determine argon diffusion scales during high-pressure metamorphism. 40Ar/39Ar biotite ages profile from the vein toward the metagranodiorite show a diffusion curve: old ages (800 Ma) located close to the vein decrease until homogenous 170-150 Ma ages are obtained, two centimeter away from the vein. Centimeter-scale diffusion occurs with help of a fluid phase marked by high chlorine concentrations. Argon diffusion is reduced to a millimeter scale when free fluid is absent. Very short diffusion distance permits to preserve pre-Alpine ages. The 170-150 Ma ages are considered to be geologic meaningful, probably resulting from the extensional tectonics linked to opening of the Tethian ocean.

Constraints on the late thermotectonic evolution of the Western Alps - Evidence for episodic rapid uplift

Forty-two new apatite and zircon fission track ages are presented for samples from the Western Alps in southern Switzerland, northern Italy, and southeastern France. Measured ages plotted against assumed closure temperatures yield cooling patterns for the final cooling, uplift, and exhumation of the Western Alps. Similar fission track zircon ages in the Penninic Gran Paradiso massif, Dent Blanche nappe, Sesia-Lanzo Zone, and Ivrea Zone indicate cooling of all four units to approximately 225-degrees-C by 33 Ma. Differences in apatite ages reveal differential cooling of the four blocks between 33 Ma and the present. In the Sesia-Lanzo Zone, similarity of apatite ages regardless of elevation, together with near-volcanic confined fission track length patterns suggest rapid cooling and uplift at approximately 25 Ma compared with slow cooling of other Western Alps units around 12 Ma. Uplift is thus not continuous but episodic, often over a short time interval beyond the resolution of other methods. Such episodes of uplift, as revealed here in the Sesia-Lanzo Zone, may be the rule rather than the exception.

Characterization of modern and fossil mineral dust transported to high altitude in the Western Alps: Saharan sources and transport patterns

Mineral dust aerosols recently collected at the high-altitude Jungfraujoch research station (46 degrees 33'51 `' N, 7 degrees 59'06 `' E; 3580 m a.s.l.) were compared to mineral dust deposited at the Colle Gnifetti glacier (45 degrees 52'50 `' N, 7 degrees 52'33 `' E; 4455 m a.s.l.) over the last millennium. Radiogenic isotope signatures and backward trajectories analyses indicate that major dust sources are situated in the north-central to north-western part of the Saharan desert. Less radiogenic Sr isotopic compositions of PM10 aerosols and of mineral particles deposited during periods of low dust transfer likely result from the enhancement of the background chemically-weathered Saharan source. Saharan dust mobilization and transport were relatively reduced during the second part of the Little Ice Age (ca. 1690-1870) except within the greatest Saharan dust event deposited around 1770. After ca. 1870, sustained dust deposition suggests that increased mineral dust transport over the Alps during the last century could be due to stronger spring/summer North Atlantic southwesterlies and drier winters in North Africa. On the other hand, increasing carbonaceous particle emissions from fossil fuel combustion combined to a higher lead enrichment factor point to concomitant anthropogenic sources of particulate pollutants reaching high-altitude European glaciers during the last century.

Multiscale phylogeography: glacial history and autopolyploidy of Biscutella laevigata L. (Brassicaceae) in the Western Alps

Résumé Les changements climatiques du Quaternaire ont eu une influence majeure sur la distribution et l'évolution des biota septentrionaux. Les Alpes offrent un cadre spatio-temporel bien étudié pour comprendre la réactivité de la flore et le potentiel d'adaptation d'une espèce végétale face aux changements climatiques. Certaines hypothèses postulent une diversification des espèces en raison de la disparition complète de la flore des Alpes et d'un isolement important des espèces dans des refuges méridionaux durant les dernières glaciations (Tabula Rasa). Une autre hypothèse stipule le maintien de poches de résistance pour la végétation au coeur des Alpes (Nunataks). Comme de nombreuses espèces végétales présentant un grand succès écologique semblent avoir réagi aux glaciations par la multiplication de leur génome (autopolyploïdie), leur étude en milieu naturel devrait permettre de comprendre les avantages inhérents à la polyploïdie. Biscutella laevigata est un modèle emblématique de biogéographie historique, diverses études ayant montré que des populations diploïdes sont actuellement isolées dans les zones restées déglacées durant le dernier maximum glaciaire, alors que des tétraploïdes ont recolonisé l'ensemble des zones alpines mises à nu par le retrait des glaciers. Si le contexte périglaciaire semble avoir favorisé ce jeune complexe autopolyploïde, les circonstances et les avantages de cette mutation génomique ne sont pas encore clairs. Y a-t-il eu de multiples événements de polyploïdisation ? Dans quelle mesure affecte(nt)il(s) la diversité génétique et le potentiel évolutif des polyploïdes ? Les polyploïdes ont-ils une grande flexibilité génomique, favorisant une radiation adaptative, ou doivent-ils leur succès à une grande plasticité écologique ? Cette étude aborde ces questions à différentes échelles spatiales et temporelles. L'échelle régionale des Alpes occidentales permet d'aborder les facteurs distaux (aspects historiques), alors que l'échelle locale cherche à appréhender les facteurs proximaux (mécanismes évolutifs). Dans les Alpes occidentales, des populations ont été densément échantillonnées et étudiées grâce à (1) leur cytotype, (2) leur appartenance taxonomique, (3) leur habitat et (4) des marqueurs moléculaires de l'ADN chloroplastique, en vue d'établir leurs affinités évolutives. Á l'échelle locale, deux systèmes de population ont été étudiés : l'un où les populations persistent en périphérie de l'aire de distribution et l'autre au niveau du front actif de colonisation, en marge altitudinale. Les résultats à l'échelle des Alpes occidentales révèlent les sites d'intérêt (refuges glaciaires, principales barrières et voies de recolonisation) pour une espèce représentative des pelouses alpines, ainsi que pour la biodiversité régionale. Les Préalpes ont joué un rôle important dans le maintien de populations à proximité immédiate des Alpes centrales et dans l'évolution du taxon, voire de la végétation. Il est aussi démontré que l'époque glaciaire a favorisé l'autopolyploïdie polytopique et la recolonisation des Alpes occidentales par des lignées distinctes qui s'hybrident au centre des Alpes, influençant fortement leur diversité génétique et leur potentiel évolutif. L'analyse de populations locales en situations contrastées à l'aide de marqueurs AFLP montre qu'au sein d'une lignée présentant une grande expansion, la diversité génétique est façonnée par des forces évolutives différentes selon le contexte écologique et historique. Les populations persistant présentent une dispersion des gènes restreinte, engendrant une diversité génétique assez faible, mais semblent adaptées aux conditions locales de l'environnement. À l'inverse, les populations colonisant la marge altitudinale sont influencées par les effets de fondation conjugués à une importante dispersion des gènes et, si ces processus impliquent une grande diversité génétique, ils engendrent une répartition aléatoire des génotypes dans l'environnement. Les autopolyploïdes apparaissent ainsi comme capables de persister face aux changements climatiques grâce à certaines facultés d'adaptation locale et de grandes capacités à maintenir une importante diversité génétique lors de la recolonisation post-glaciaire. Summary The extreme climate changes of the Quaternary have had a major influence on species distribution and evolution. The European Alps offer a great framework to investigate flora reactivity and the adaptive potential of species under changing climate. Some hypotheses postulate diversification due to vegetation removal and important isolation in southern refugia (Tabula Rasa), while others explain phylogeographic patterns by the survival of species in favourable Nunataks within the Alps. Since numerous species have successfully reacted to past climate changes by genome multiplication (autopolyploidy), studies of such taxa in natural conditions is likely to explain the ecological success and the advantages of autopolyploidy. Early cytogeographical surveys of Biscutella laevigata have shed light on the links between autopolyploidy and glaciations by indicating that diploids are now spatially isolated in never-glaciated areas, while autotetraploids have recolonised the zones covered by glaciers- during the last glacial maximum. A periglacial context apparently favoured this young autopolyploid complex but the circumstances and the advantages of this genomic mutation remain unclear. What is the glacial history of the B. laevigata autopolyploid complex? Are there multiple events of polyploidisation? To what extent do they affect the genetic diversity and the evolutionary potential of polyploids? Is recolonisation associated with adaptive processes? How does long-term persistence affect genetic diversity? The present study addresses these questions at different spatiotemporal scales. A regional survey at the Western Alps-scale tackles distal factors (evolutionary history), while local-scale studies explore proximal factors (evolutionary mechanisms). In the Western Alps, populations have been densely sampled and studied from the (1) cytotypic, (2) morphotaxonomic, (3) habitat point of views, as well as (4) plastid DNA molecular markers, in order to infer their relationships and establish the maternal lineages phylogeography. At the local scale, populations persisting at the rear edge and populations recolonising the attitudinal margin at the leading edge have been studied by AFLPs to show how genetic diversity is shaped by different evolutionary forces across the species range. The results at the regional scale document the glacial history of a widespread species, representative of alpine meadows, in a regional area of main interest (glacial refugia, main barriers and recolonisation routes) and points out to sites of interest for regional biodiversity. The external Alps have played a major role in the maintenance of populations near the central Alps during the Last Glacial Maximum and influenced the evolution of the species, and of vegetation. Polytopic autopolyploidy in different biogeographic districts is also demonstrated. The species has had an important and rapid radiation because recolonisation took place from different refugia. The subsequent recolonisation of the Western Alps was achieved by independent lineages that are presently admixing in the central Alps. The role of the Pennic summit line is underlined as a great barrier that was permeable only through certain favourable high-altitude passes. The central Alps are thus viewed as an important crossroad where genomes with different evolutionary histories are meeting and admixing. The AFLP analysis and comparison of local populations growing in contrasted ecological and historical situations indicate that populations persisting in the external Alps present restricted gene dispersal and low genetic diversity but seem in equilibrium with their environment. On the contrary, populations colonising the attitudinal margin are mainly influenced by founder effects together with great gene dispersal and genotypes have a nearly random distribution, suggesting that recolonisation is not associated with adaptive processes. Autopolyploids that locally persist against climate changes thus seem to present adaptive ability, while those that actively recolonise the Alps are successful because of their great capacity to maintain a high genetic diversity against founder effects during recolonisation.