Garnet growth in the Nufenen Pass area (Swiss Alps)

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

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.

The duration of prograde garnet crystallization in the UHP eclogites at Lago di Cignana, Italy

The distinct core-to-rim zonation of different REEs in garnet in metamorphic rocks, specifically Sm relative to Lu, suggests that Sm-Nd and Lu-Hf isochron ages will record different times along a prograde garnet growth history. Therefore, REE zonations in garnet must be measured in order to correctly interpret the isochron ages in terms of the garnet growth interval, which could span several m.y. New REE profiles, garnet crystal size distributions, and garnet growth modeling, combined with previously published Sm-Nd and Lu-Hf geochronology on a UHP eclogite of the Zermatt-Saas Fee (ZSF) ophiolite, Lago di Cignana (Italy), demonstrate that prograde garnet growth of this sample occurred over a similar to 30 to 40 m.y. interval. Relative to peak metamorphism at 38 to 40 Ma, garnet growth is estimated to have begun at similar to 11 to 14 kbar pressure at similar to 70 to 80 Ma. Although such a protracted garnet growth interval is surprising, this is supported by plate tectonic reconstructions which suggest that subduction of the Liguro-Piemont ocean occurred through slow and oblique convergence. These results demonstrate that REE zonations in garnet, coupled to crystal size distributions, provide a powerful means for understanding prograde metamorphic paths when combined with Sm-Nd and Lu-Hf geochronology. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Garnet-chloritoid-kyanite metapelites from the Raspas Complex (SW Ecuador): a key eclogite-facies assemblage

The Raspas Complex (Ecuador) contains one of the few eclogitic bodies in the northern Andes. It consists of metaperidotites, eclogites, and metapelites. The latter display three assemblages: (i) garnet + chloritoid + kyanite, (ii) garnet + chloritoid and (iii) garnet + chlorite, in all cases with quartz and muscovite in addition. The growth of these assemblages was coeval with the main ductile deformation, and was followed by minor reequilibration (chlorite growth in garnet + chloritoid samples and chloritoid + quartz aggregates replacing garnet and kyanite in garnet + chloritoid + kyanite samples). Detailed microprobe analyses show increasing magnesian compositions for garnet (from core to rim) and chloritoid (inclusions within garnet compared to matrix grains) in kyanite-bearing samples. The above data are interpreted in the framework of the KFMASH system. Reaction progress along the divariant reaction Cld = Grt + Ky explains the change in chemistry of coexisting phases. The divariant Grt-Cld-Ky assemblage has a narrow stability field, and the P-T conditions are estimated at about 20 kbar, 550-600degreesC. Decompression, recorded by chloritoid-quartz pseudomorphs of garnet, probably occurred as temperature decreased.

Microstructural, chemical and textural records during growth of snowball garnet

The growth history of two populations of snowball garnet from the Lukmanier Pass area (central Swiss Alps) was examined through a detailed analysis of three-dimensional geometry, chemical zoning and crystallographic orientation. The first population, collected in the hinge of a chevron-type fold, shows an apparent rotation of 360 degrees. The first 270 degrees are characterized by spiral-shaped inclusion trails, gradual and concentric Mn zoning and a single crystallographic orientation, whereas in the last 90 degrees, crenulated inclusion trails and secondary Mn maxima centred on distinct crystallographic garnet domains are observed. Microstructural, geochemical and textural data indicate a radical change in growth regime between the two growth sequences. In the first 270 degrees, growth occurred under rotational non-coaxial flow, whereas in the last 90 degrees, garnet grew under a non-rotational shortening regime. The second population, collected in the limb of the same chevron-type fold structure, is characterized by a spiral geometry that does not exceed 270 degrees of apparent rotation. These garnet microstructures do not record any evidence for a modification of the stress field during garnet growth. Concentric Mn zoning as well as a single crystallographic orientation are observed for the entire spiral. Electron backscatter diffraction data indicate that nearly all central domains in the snowball garnet are characterized by one [001] axis oriented (sub-)parallel to the symmetry axis and by another [001] axis oriented (sub-)parallel to the orientation of the internal foliation. These features suggest that the crystallographic orientation across the garnet spiral is not random and that a relation exists among the symmetry axis, the internal foliation and the crystallographic orientation.

Multi-stage garnet in the internal Brianconnais basement (Ambin massif, Savoy): New petrological constraints on the blueschist-facies metamorphism in the Western Alps and tectonic implications

Three types of garnet have been distinguished in pelitic schists from an epidote-blueschist-facies unit of the Ambin and South Vanoise Brianconnais massifs on the basis of texture, chemical zoning and mineral inclusion characterization. Type-1 garnet cores with high Mn/Ca ratios are interpreted as pre-Alpine relicts, whereas Type-1 garnet rims, Type-2 inclusion-rich porphyroblasts and smaller Type-3 garnets are Alpine. The latter are all characterized by low Mn/Ca ratios and a coexisting mineral assemblage of blue amphibole, high-Si phengite, epidote and quartz. Prograde growth conditions during Alpine D-1 high-pressure (HP) metamorphism are recorded by a decrease in Mn and increase in Fe (+/-Ca) in the Type-2 garnets, culminating in peak P-T conditions of 14-16 kbar and 500degreesC in the deepest parts of the Ambin dome. The multistage growth history of Type-1 garnets indicates a polymetamorphic history for the Ambin and South Vanoise massifs; unfortunately, no age constraints are available. The new metamorphic constraints on the Alpine event in the massifs define a metamorphic T `gap' between them and their surrounding cover (Brianconnais and upper Schistes Lustres units), which experienced metamorphism only in the stability field of carpholite-lawsonite (T < 400degreesC). These data and supporting structural studies confirm that the Ambin and South Vanoise massifs are slices of `eclogitized' continental crust tectonically extruded within the Schistes Lustres units and Brianconnais covers. The corresponding tectonic contacts with top-to-east movement are responsible for the juxtaposition of lower-grade metamorphic units on the Ambin and South Vanoise massifs.

Igneous garnet and amphibole fractionation in the roots of island arcs: experimental constraints on andesitic liquids

To evaluate the role of garnet and amphibole fractionation at conditions relevant for the crystallization of magmas in the roots of island arcs, a series of experiments were performed on a synthetic andesite at conditions ranging from 0.8 to 1.2 GPa, 800-1,000 degrees C and variable H2O contents. At water undersaturated conditions and fO(2) established around QFM, garnet has a wide stability field. At 1.2 GPa garnet ? amphibole are the high-temperature liquidus phases followed by plagioclase at lower temperature. Clinopyroxene reaches its maximal stability at H2O-contents <= 9 wt% at 950 degrees C and is replaced by amphibole at lower temperature. The slopes of the plagioclase-in boundaries are moderately negative in T-XH2O space. At 0.8 GPa, garnet is stable at magmatic H2O contents exceeding 8 wt% and is replaced by spinel at decreasing dissolved H2O. The liquids formed by crystallization evolve through continuous silica increase from andesite to dacite and rhyolite for the 1.2 GPa series, but show substantial enrichment in FeO/MgO for the 0.8 GPa series related to the contrasting roles of garnet and amphibole in fractionating Fe-Mg in derivative liquids. Our experiments indicate that the stability of igneous garnet increases with increasing dissolved H2O in silicate liquids and is thus likely to affect trace element compositions of H2O-rich derivative arc volcanic rocks by fractionation. Garnet-controlled trace element ratios cannot be used as a proxy

Estimation of a maximum Lu diffusion rate in a natural eclogite garnet

Lutetium zoning in garnet within eclogites from the Zermatt-Saas Fee zone, Western Alps, reveal sharp, exponentially decreasing central peaks. They can be used to constrain maximum Lu volume diffusion in garnets. A prograde garnet growth temperature interval of 450-600 A degrees C has been estimated based on pseudosection calculations and garnet-clinopyroxene thermometry. The maximum pre-exponential diffusion coefficient which fits the measured central peak is in the order of D-0= 5.7*10(-6) m(2)/s, taking an estimated activation energy of 270 kJ/mol based on diffusion experiments for other rare earth elements in garnet. This corresponds to a maximum diffusion rate of D (600 A degrees C) = 4.0*10(-22) m(2)/s. The diffusion estimate of Lu can be used to estimate the minimum closure temperature, T-c, for Sm-Nd and Lu-Hf age data that have been obtained in eclogites of the Western Alps, postulating, based on a literature review, that D (Hf) < D (Nd) < D (Sm) a parts per thousand currency sign D (Lu). T-c calculations, using the Dodson equation, yielded minimum closure temperatures of about 630 A degrees C, assuming a rapid initial exhumation rate of 50A degrees/m.y., and an average crystal size of garnets (r = 1 mm). This suggests that Sm/Nd and Lu/Hf isochron age differences in eclogites from the Western Alps, where peak temperatures did rarely exceed 600 A degrees C must be interpreted in terms of prograde metamorphism.

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

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

Equilibration and disequilibration between monazite and garnet: indication from phase-composition and quantitative texture analysis

The integration of information which can be gained from accessory [i.e. age (t)] and rock-forming minerals [i.e. temperature (T) and pressure (P)] requires a more profound understanding of the equilibration kinetics during metamorphic processes. This paper presents an approach comparing conventional P-T estimate from equilibrated assemblages of rock-forming minerals with temperature data derived from yttrium-garnet-monazite (YGM) and yttrium-garnet-xenotime (YGX) geothermometry. Such a comparison provides an initial indication on differences between equilibration of major and trace elements. Regarding this purpose, two migmatites, two polycyclic and one monocyclic gneiss from the Central Alps (Switzerland, northern Italy) were investigated. While the polycyclic samples exhibit trace-element equilibration between monazite and garnet grains assigned to the same metamorphic event, there are relics of monazite and garnet obviously surviving independent of their textural position. These observations suggest that surface processes dominate transport processes during equilibration of those samples. The monocyclic gneiss, on the contrary, displays rare isolated monazite with equilibration of all elements, despite comparably large transport distances. With a nearly linear crystal-size distribution of the garnet grain population, growth kinetics, related to the major elements, were likely surface-controlled in this sample. In contrast to these completely equilibrated examples, the migmatites indicate disequilibrium between garnet and monazite with a change in REE patterns on garnet transects. The cause for this disequilibrium may be related to a potential disequilibrium initiated by a changing bulk chemistry during melt segregation. While migmatite environments are expected to support high transport rates (i.e. high temperatures and melt presence), the evolution of equilibration in migmatites is additionaly related to change in chemistry. As a key finding, surface-controlled equilibration kinetics seem to dominate transport-controlled processes in the investigated samples. This may be decisive information towards the understanding of age data derived from monazite.

Contact metamorphism and emplacement of the western Adamello tonalite

The geodynamic forces acting in the Earth's interior manifest themselves in a variety of ways. Volcanoes are amongst the most impressive examples in this respect, but like with an iceberg, they only represent the tip of a more extensive system hidden underground. This system consists of a source region where melt forms and accumulates, feeder connections in which magma is transported towards the surface, and different reservoirs where it is stored before it eventually erupts to form a volcano. A magma represents a mixture of melt and crystals. The latter can be extracted from the source region, or form anywhere along the path towards their final crystallization place. They will retain information of the overall plumbing system. The host rocks of an intrusion, in contrast, provide information at the emplacement level. They record the effects of thermal and mechanical forces imposed by the magma. For a better understanding of the system, both parts - magmatic and metamorphic petrology - have to be integrated. I will demonstrate in my thesis that information from both is complementary. It is an iterative process, using constraints from one field to better constrain the other. Reading the history of the host rocks is not always straightforward. This is shown in chapter two, where a model for the formation of clustered garnets observed in the contact aureole is proposed. Fragments of garnets, older than the intrusive rocks are overgrown by garnet crystallizing due to the reheating during emplacement of the adjacent pluton. The formation of the clusters is therefore not a single event as generally assumed but the result of a two-stage process, namely the alteration of the old grains and the overgrowth and amalgamation of new garnet rims. This makes an important difference when applying petrological methods such as thermobarometry, geochronology or grain size distributions. The thermal conditions in the aureole are a strong function of the emplacement style of the pluton. therefore it is necessary to understand the pluton before drawing conclusions about its aureole. A study investigating the intrusive rocks by means of field, geochemical, geochronologi- cal and structural methods is presented in chapter three. This provided important information about the assembly of the intrusion, but also new insights on the nature of large, homogeneous plutons and the structure of the plumbing system in general. The incremental nature of the emplacement of the Western Adamello tonalité is documented, and the existence of an intermediate reservoir beneath homogeneous plutons is proposed. In chapter four it is demonstrated that information extracted from the host rock provides further constraints on the emplacement process of the intrusion. The temperatures obtain by combining field observations with phase petrology modeling are used together with thermal models to constrain the magmatic activity in the immediate intrusion. Instead of using the thermal models to control the petrology result, the inverse is done. The model parameters were changed until a match with the aureole temperatures was obtained. It is shown, that only a few combinations give a positive match and that temperature estimates from the aureole can constrain the frequency of ancient magmatic systems. In the fifth chapter, the Anisotropy of Magnetic Susceptibility of intrusive rocks is compared to 3D tomography. The obtained signal is a function of the shape and distribution of ferromagnetic grains, and is often used to infer flow directions of magma. It turns out that the signal is dominated by the shape of the magnetic crystals, and where they form tight clusters, also by their distribution. This is in good agreement with the predictions made in the theoretical and experimental literature. In the sixth chapter arguments for partial melting of host rock carbonates are presented. While at first very surprising, this is to be expected when considering the prior results from the intrusive study and experiments from the literature. Partial melting is documented by compelling microstructures, geochemical and structural data. The necessary conditions are far from extreme and this process might be more frequent than previously thought. The carbonate melt is highly mobile and can move along grain boundaries, infiltrating other rocks and ultimately alter the existing mineral assemblage. Finally, a mineralogical curiosity is presented in chapter seven. The mineral assemblage magne§site and calcite is in apparent equilibrium. It is well known that these two carbonates are not stable together in the system Ca0-Mg0-Fe0-C02. Indeed, magnesite and calcite should react to dolomite during metamorphism. The presented explanation for this '"forbidden" assemblage is, that a calcite melt infiltrated the magnesite bearing rock along grain boundaries and caused the peculiar microstructure. This is supported by isotopie disequilibrium between calcite and magnesite. A further implication of partially molten carbonates is, that the host rock drastically looses its strength so that its physical properties may be comparable to the ones of the intrusive rocks. This contrasting behavior of the host rock may ease the emplacement of the intrusion. We see that the circle closes and the iterative process of better constraining the emplacement could start again. - La Terre est en perpétuel mouvement et les forces tectoniques associées à ces mouvements se manifestent sous différentes formes. Les volcans en sont l'un des exemples les plus impressionnants, mais comme les icebergs, les laves émises en surfaces ne représentent que la pointe d'un vaste système caché dans les profondeurs. Ce système est constitué d'une région source, région où la roche source fond et produit le magma ; ce magma peut s'accumuler dans cette région source ou être transporté à travers différents conduits dans des réservoirs où le magma est stocké. Ce magma peut cristalliser in situ et produire des roches plutoniques ou alors être émis en surface. Un magma représente un mélange entre un liquide et des cristaux. Ces cristaux peuvent être extraits de la source ou se former tout au long du chemin jusqu'à l'endroit final de cristallisation. L'étude de ces cristaux peut ainsi donner des informations sur l'ensemble du système magmatique. Au contraire, les roches encaissantes fournissent des informations sur le niveau d'emplacement de l'intrusion. En effet ces roches enregistrent les effets thermiques et mécaniques imposés par le magma. Pour une meilleure compréhension du système, les deux parties, magmatique et métamorphique, doivent être intégrées. Cette thèse a pour but de montrer que les informations issues de l'étude des roches magmatiques et des roches encaissantes sont complémentaires. C'est un processus itératif qui utilise les contraintes d'un domaine pour améliorer la compréhension de l'autre. Comprendre l'histoire des roches encaissantes n'est pas toujours aisé. Ceci est démontré dans le chapitre deux, où un modèle de formation des grenats observés sous forme d'agrégats dans l'auréole de contact est proposé. Des fragments de grenats plus vieux que les roches intru- sives montrent une zone de surcroissance générée par l'apport thermique produit par la mise en place du pluton adjacent. La formation des agrégats de grenats n'est donc pas le résultat d'un seul événement, comme on le décrit habituellement, mais d'un processus en deux phases, soit l'altération de vieux grains engendrant une fracturation de ces grenats, puis la formation de zone de surcroissance autour de ces différents fragments expliquant la texture en agrégats observée. Cette interprétation en deux phases est importante, car elle engendre des différences notables lorsque l'on applique des méthodes pétrologiques comme la thermobarométrie, la géochronologie ou encore lorsque l'on étudie la distribution relative de la taille des grains. Les conditions thermales dans l'auréole de contact dépendent fortement du mode d'emplacement de l'intrusion et c'est pourquoi il est nécessaire de d'abord comprendre le pluton avant de faire des conclusions sur son auréole de contact. Une étude de terrain des roches intrusives ainsi qu'une étude géochimique, géochronologique et structurale est présente dans le troisième chapitre. Cette étude apporte des informations importantes sur la formation de l'intrusion mais également de nouvelles connaissances sur la nature de grands plutons homogènes et la structure de système magmatique en général. L'emplacement incrémental est mis en évidence et l'existence d'un réservoir intermédiaire en-dessous des plutons homogènes est proposé. Le quatrième chapitre de cette thèse illustre comment utiliser l'information extraite des roches encaissantes pour expliquer la mise en place de l'intrusion. Les températures obtenues par la combinaison des observations de terrain et l'assemblage métamorphique sont utilisées avec des modèles thermiques pour contraindre l'activité magmatique au contact directe de cette auréole. Au lieu d'utiliser le modèle thermique pour vérifier le résultat pétrologique, une approche inverse a été choisie. Les paramètres du modèle ont été changés jusqu'à ce qu'on obtienne une correspondance avec les températures observées dans l'auréole de contact. Ceci montre qu'il y a peu de combinaison qui peuvent expliquer les températures et qu'on peut contraindre la fréquence de l'activité magmatique d'un ancien système magmatique de cette manière. Dans le cinquième chapitre, les processus contrôlant l'anisotropie de la susceptibilité magnétique des roches intrusives sont expliqués à l'aide d'images de la distribution des minéraux dans les roches obtenues par tomographie 3D. Le signal associé à l'anisotropie de la susceptibilité magnétique est une fonction de la forme et de la distribution des grains ferromagnétiques. Ce signal est fréquemment utilisé pour déterminer la direction de mouvement d'un magma. En accord avec d'autres études de la littérature, les résultats montrent que le signal est dominé par la forme des cristaux magnétiques, ainsi que par la distribution des agglomérats de ces minéraux dans la roche. Dans le sixième chapitre, une étude associée à la fusion partielle de carbonates dans les roches encaissantes est présentée. Si la présence de liquides carbonatés dans les auréoles de contact a été proposée sur la base d'expériences de laboratoire, notre étude démontre clairement leur existence dans la nature. La fusion partielle est documentée par des microstructures caractéristiques pour la présence de liquides ainsi que par des données géochimiques et structurales. Les conditions nécessaires sont loin d'être extrêmes et ce processus pourrait être plus fréquent qu'attendu. Les liquides carbonatés sont très mobiles et peuvent circuler le long des limites de grain avant d'infiltrer d'autres roches en produisant une modification de leurs assemblages minéralogiques. Finalement, une curiosité minéralogique est présentée dans le chapitre sept. L'assemblage de minéraux de magnésite et de calcite en équilibre apparent est observé. Il est bien connu que ces deux carbonates ne sont pas stables ensemble dans le système CaO-MgO-FeO-CO.,. En effet, la magnésite et la calcite devraient réagir et produire de la dolomite pendant le métamorphisme. L'explication présentée pour cet assemblage à priori « interdit » est que un liquide carbonaté provenant des roches adjacentes infiltre cette roche et est responsable pour cette microstructure. Une autre implication associée à la présence de carbonates fondus est que la roche encaissante montre une diminution drastique de sa résistance et que les propriétés physiques de cette roche deviennent comparables à celles de la roche intrusive. Cette modification des propriétés rhéologiques des roches encaissantes peut faciliter la mise en place des roches intrusives. Ces différentes études démontrent bien le processus itératif utilisé et l'intérêt d'étudier aussi bien les roches intrusives que les roches encaissantes pour la compréhension des mécanismes de mise en place des magmas au sein de la croûte terrestre.

Origin of Early Carboniferous pseudo-adakites in northern Brittany (France) through massive amphibole fractionation from hydrous basalt

P>The first Variscan pseudo-adakites were identified in close association with the Saint-Jean-du-Doigt (SJDD) mafic intrusion (Brittany, France) in a geodynamic context unrelated to subduction. These rocks are trondhjemites emplaced 347 +/- 4 Ma ago as 2-3 km2 bodies and dykes. Trace-element concentrations and Sr-Nd-Pb isotope ratios indicate that the SJDD pseudo-adakites probably resulted from extreme differentiation of an SJDD-type hydrous basaltic magma in a lower continental crust of normal thickness (0.8 GPa). Modelling shows that garnet is not a required phase, which was commonly believed to be the case for continental arc-derived adakite-like rocks. A massive fractionation of amphibole fits the data much better and does not require high pressures, in agreement with the inferred extensional tectonic regime at the time of pluton emplacement. Alternatively, the SJDD pseudo-adakites could have resulted from the melting of newly underplated SJDD mafic precursors, but thermal considerations lead us to believe that this was not the case.

Monte Carlo simulations of metasomatic enrichment in the lithosphere and implications for the source of alkaline basalts

One hypothesis for the origin of alkaline lavas erupted on oceanic islands and in intracontinental settings is that they represent the melts of amphibole-rich veins in the lithosphere (or melts of their dehydrated equivalents if metasomatized lithosphere is recycled into the convecting mantle). Amphibole-rich veins are interpreted as cumulates produced by crystallization of low-degree melts of the underlying asthenosphere as they ascend through the lithosphere. We present the results of trace-element modelling of the formation and melting of veins formed in this way with the goal of testing this hypothesis and for predicting how variability in the formation and subsequent melting of such cumulates (and adjacent cryptically and modally metasomatized lithospheric peridotite) would be manifested in magmas generated by such a process. Because the high-pressure phase equilibria of hydrous near-solidus melts of garnet lherzolite are poorly constrained and given the likely high variability of the hypothesized accumulation and remelting processes, we used Monte Carlo techniques to estimate how uncertainties in the model parameters (e.g. the compositions of the asthenospheric sources, their trace-element contents, and their degree of melting; the modal proportions of crystallizing phases, including accessory phases, as the asthenospheric partial melts ascend and crystallize in the lithosphere; the amount of metasomatism of the peridotitic country rock; the degree of melting of the cumulates and the amount of melt derived from the metasomatized country rock) propagate through the process and manifest themselves as variability in the trace-element contents and radiogenic isotopic ratios of model vein compositions and erupted alkaline magma compositions. We then compare the results of the models with amphibole observed in lithospheric veins and with oceanic and continental alkaline magmas. While the trace-element patterns of the near-solidus peridotite melts, the initial anhydrous cumulate assemblage (clinopyroxene +/- garnet +/- olivine +/- orthopyroxene), and the modelled coexisting liquids do not match the patterns observed in alkaline lavas, our calculations show that with further crystallization and the appearance of amphibole (and accessory minerals such as rutile, ilmenite, apatite, etc.) the calculated cumulate assemblages have trace-element patterns that closely match those observed in the veins and lavas. These calculated hydrous cumulate assemblages are highly enriched in incompatible trace elements and share many similarities with the trace-element patterns of alkaline basalts observed in oceanic or continental setting such as positive Nb/La, negative Ce/Pb, and similiar slopes of the rare earth elements. By varying the proportions of trapped liquid and thus simulating the cryptic and modal metasomatism observed in peridotite that surrounds these veins, we can model the variations in Ba/Nb, Ce/Pb, and Nb/U ratios that are observed in alkaline basalts. If the isotopic compositions of the initial low-degree peridotite melts are similar to the range observed in mid-ocean ridge basalt, our model calculations produce cumulates that would have isotopic compositions similar to those observed in most alkaline ocean island basalt (OIB) and continental magmas after similar to 0 center dot 15 Gyr. However, to produce alkaline basalts with HIMU isotopic compositions requires much longer residence times (i.e. 1-2 Gyr), consistent with subduction and recycling of metasomatized lithosphere through the mantle. such as a heterogeneous asthenosphere. These modelling results support the interpretation proposed by various researchers that amphibole-bearing veins represent cumulates formed during the differentiation of a volatile-bearing low-degree peridotite melt and that these cumulates are significant components of the sources of alkaline OIB and continental magmas. The results of the forward models provide the potential for detailed tests of this class of hypotheses for the origin of alkaline magmas worldwide and for interpreting major and minor aspects of the geochemical variability of these magmas.

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.

La nappe du Lebendun entre Alte Kaserne et le Val Cairasca (massif du Simplon): nouvelles observations et interprétations

The lithostratigraphic description of the covers of three Lower Penninic nappes (Monte Leone, Lebendun and Antigorio) allows the comparison of their sedimentary content and their thickness. It has been established that the Lebendun nappe is formed by an ante-Triassic paragneissic core (Valgrande gneiss), and a Mesozoic sedimentary cover in reversed position. The cover series shows a continuous detritic sedimentation, off which the material comes from a continental erosion related to the early Lias rifting phase of the Alpine Tethys. The erosion has reached the basement, resedimented as pebbles and sandstones. This can be observed in both Lebendun and Antigorio covers. The definition of a unit named <<serie intermediaire>> between the Lebendun and the Antigorio covers has important palinspastic implications for both nappes. The unit is composed of a banded marble, a garnet bearing gneiss and a calcschist with great blocks. The comparison between the thickness of Antigorio and Lebendun covers suggests a shoulder position for Antigorio. and a proximal rift basin position tor Lebendun. The general thickness decrease of the series towards the SW points to a NE origin for the Lebendun clastics, taking into account the increase of tectonic deformation in the region trending from east to west. The detritic sedimentation ends with the basin drowning during the Malm, represented by a pure marble sealing the erosive disconformity of the Antigorio cover, and the clastic deposits of Lebendun. Three hypotheses are proposed for the calcschists age and attribution of the <<serie intermediaire>>: A: they belong entirely or partially to the Lebendun cover and correspond to a conglomeratic deposit of Cretaceous-Tertiary Niesen flysch type, of proximal facies. The tectonic limit could be situated in the middle of the calcschists at the level of the huge blocks encountered. B: they belong to Antigorio and correspond to an upper Lias-Dogger synrift deposit, then the marble is liassic. C: they belong to Antigorio and have been deposited following the Lebendun basin inversion (Cretaceous-Tertiary). that generates Tertiary wildflysch deposits, coming from the South for the ultrahelvetic and from the North for the Niesen.