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.

Modélisation par automate cellulaire des phénomènes diagénétiques des plateformes carbonatées : calibration et paramétrage à partir de deux cas d'études : l'Urgonien du Vercors (Crétacé inférieur, SE France) et les Calcaires Gris du Mont Compomolon (Lias, NE Italie)

Une fois déposé, un sédiment est affecté au cours de son enfouissement par un ensemble de processus, regroupé sous le terme diagenèse, le transformant parfois légèrement ou bien suffisamment pour le rendre méconnaissable. Ces modifications ont des conséquences sur les propriétés pétrophysiques qui peuvent être positives ou négatives, c'est-à-dire les améliorer ou bien les détériorer. Une voie alternative de représentation numérique des processus, affranchie de l'utilisation des réactions physico-chimiques, a été adoptée et développée en mimant le déplacement du ou des fluides diagénétiques. Cette méthode s'appuie sur le principe d'un automate cellulaire et permet de simplifier les phénomènes sans sacrifier le résultat et permet de représenter les phénomènes diagénétiques à une échelle fine. Les paramètres sont essentiellement numériques ou mathématiques et nécessitent d'être mieux compris et renseignés à partir de données réelles issues d'études d'affleurements et du travail analytique effectué. La représentation des phénomènes de dolomitisation de faible profondeur suivie d'une phase de dédolomitisation a été dans un premier temps effectuée. Le secteur concerne une portion de la série carbonatée de l'Urgonien (Barrémien-Aptien), localisée dans le massif du Vercors en France. Ce travail a été réalisé à l'échelle de la section afin de reproduire les géométries complexes associées aux phénomènes diagénétiques et de respecter les proportions mesurées en dolomite. De plus, la dolomitisation a été simulée selon trois modèles d'écoulement. En effet, la dédolomitisation étant omniprésente, plusieurs hypothèses sur le mécanisme de dolomitisation ont été énoncées et testées. Plusieurs phases de dolomitisation per ascensum ont été également simulées sur des séries du Lias appartenant aux formations du groupe des Calcaire Gris, localisées au nord-est de l'Italie. Ces fluides diagénétiques empruntent le réseau de fracturation comme vecteur et affectent préférentiellement les lithologies les plus micritisées. Cette étude a permis de mettre en évidence la propagation des phénomènes à l'échelle de l'affleurement. - Once deposited, sediment is affected by diagenetic processes during their burial history. These diagenetic processes are able to affect the petrophysical properties of the sedimentary rocks and also improve as such their reservoir capacity. The modelling of diagenetic processes in carbonate reservoirs is still a challenge as far as neither stochastic nor physicochemical simulations can correctly reproduce the complexity of features and the reservoir heterogeneity generated by these processes. An alternative way to reach this objective deals with process-like methods, which simplify the algorithms while preserving all geological concepts in the modelling process. The aim of the methodology is to conceive a consistent and realistic 3D model of diagenetic overprints on initial facies resulting in petrophysical properties at a reservoir scale. The principle of the method used here is related to a lattice gas automata used to mimic diagenetic fluid flows and to reproduce the diagenetic effects through the evolution of mineralogical composition and petrophysical properties. This method developed in a research group is well adapted to handle dolomite reservoirs through the propagation of dolomitising fluids and has been applied on two case studies. The first study concerns a mid-Cretaceous rudist and granular platform of carbonate succession (Urgonian Fm., Les Gorges du Nan, Vercors, SE France), in which several main diagenetic stages have been identified. The modelling in 2D is focused on dolomitisation followed by a dédolomitisation stage. For the second study, data collected from outcrops on the Venetian platform (Lias, Mont Compomolon NE Italy), in which several diagenetic stages have been identified. The main one is related to per ascensum dolomitisation along fractures. In both examples, the evolution of the effects of the mimetic diagenetic fluid on mineralogical composition can be followed through space and numerical time and help to understand the heterogeneity in reservoir properties. Carbonates, dolomitisation, dédolomitisation, process-like modelling, lattice gas automata, random walk, memory effect.

Simulation of stromatolite growth using diffusion-limited aggregation and a discrete model of biogeochemical exchanges in microbial mat

Resume : Mieux comprendre les stromatolithes et les tapis microbiens est un sujet important en biogéosciences puisque cela aide à l'étude des premières formes de vie sur Terre, a mieux cerner l'écologie des communautés microbiennes et la contribution des microorganismes a la biominéralisation, et même à poser certains fondements dans les recherches en exobiologie. D'autre part, la modélisation est un outil puissant utilisé dans les sciences naturelles pour appréhender différents phénomènes de façon théorique. Les modèles sont généralement construits sur un système d'équations différentielles et les résultats sont obtenus en résolvant ce système. Les logiciels disponibles pour implémenter les modèles incluent les logiciels mathématiques et les logiciels généraux de simulation. L'objectif principal de cette thèse est de développer des modèles et des logiciels pour aider a comprendre, via la simulation, le fonctionnement des stromatolithes et des tapis microbiens. Ces logiciels ont été développés en C++ en ne partant d'aucun pré-requis de façon a privilégier performance et flexibilité maximales. Cette démarche permet de construire des modèles bien plus spécifiques et plus appropriés aux phénomènes a modéliser. Premièrement, nous avons étudié la croissance et la morphologie des stromatolithes. Nous avons construit un modèle tridimensionnel fondé sur l'agrégation par diffusion limitée. Le modèle a été implémenté en deux applications C++: un moteur de simulation capable d'exécuter un batch de simulations et de produire des fichiers de résultats, et un outil de visualisation qui permet d'analyser les résultats en trois dimensions. Après avoir vérifié que ce modèle peut en effet reproduire la croissance et la morphologie de plusieurs types de stromatolithes, nous avons introduit un processus de sédimentation comme facteur externe. Ceci nous a mené a des résultats intéressants, et permis de soutenir l'hypothèse que la morphologie des stromatolithes pourrait être le résultat de facteurs externes autant que de facteurs internes. Ceci est important car la classification des stromatolithes est généralement fondée sur leur morphologie, imposant que la forme d'un stromatolithe est dépendante de facteurs internes uniquement (c'est-à-dire les tapis microbiens). Les résultats avancés dans ce mémoire contredisent donc ces assertions communément admises. Ensuite, nous avons décidé de mener des recherches plus en profondeur sur les aspects fonctionnels des tapis microbiens. Nous avons construit un modèle bidimensionnel de réaction-diffusion fondé sur la simulation discrète. Ce modèle a été implémenté dans une application C++ qui permet de paramétrer et exécuter des simulations. Nous avons ensuite pu comparer les résultats de simulation avec des données du monde réel et vérifier que le modèle peut en effet imiter le comportement de certains tapis microbiens. Ainsi, nous avons pu émettre et vérifier des hypothèses sur le fonctionnement de certains tapis microbiens pour nous aider à mieux en comprendre certains aspects, comme la dynamique des éléments, en particulier le soufre et l'oxygène. En conclusion, ce travail a abouti à l'écriture de logiciels dédiés à la simulation de tapis microbiens d'un point de vue tant morphologique que fonctionnel, suivant deux approches différentes, l'une holistique, l'autre plus analytique. Ces logiciels sont gratuits et diffusés sous licence GPL (General Public License). Abstract : Better understanding of stromatolites and microbial mats is an important topic in biogeosciences as it helps studying the early forms of life on Earth, provides clues re- garding the ecology of microbial ecosystems and their contribution to biomineralization, and gives basis to a new science, exobiology. On the other hand, modelling is a powerful tool used in natural sciences for the theoretical approach of various phenomena. Models are usually built on a system of differential equations and results are obtained by solving that system. Available software to implement models includes mathematical solvers and general simulation software. The main objective of this thesis is to develop models and software able to help to understand the functioning of stromatolites and microbial mats. Software was developed in C++ from scratch for maximum performance and flexibility. This allows to build models much more specific to a phenomenon rather than general software. First, we studied stromatolite growth and morphology. We built a three-dimensional model based on diffusion-limited aggregation. The model was implemented in two C++ applications: a simulator engine, which can run a batch of simulations and produce result files, and a Visualization tool, which allows results to be analysed in three dimensions. After verifying that our model can indeed reproduce the growth and morphology of several types of stromatolites, we introduced a sedimentation process as an external factor. This lead to interesting results, and allowed to emit the hypothesis that stromatolite morphology may be the result of external factors as much as internal factors. This is important as stromatolite classification is usually based on their morphology, imposing that a stromatolite shape is dependant on internal factors only (i.e. the microbial mat). This statement is contradicted by our findings, Second, we decided to investigate deeper the functioning of microbial mats, We built a two-dimensional reaction-diffusion model based on discrete simulation, The model was implemented in a C++ application that allows setting and running simulations. We could then compare simulation results with real world data and verify that our model can indeed mimic the behaviour of some microbial mats. Thus, we have proposed and verified hypotheses regarding microbial mats functioning in order to help to better understand them, e.g. the cycle of some elements such as oxygen or sulfur. ln conclusion, this PhD provides a simulation software, dealing with two different approaches. This software is free and available under a GPL licence.

Théorie bayesienne de la décision statistique et mesure de la radioactivité

L'objet de ce travail est l'évaluation de l'activité de radionucléides présents à l'état de traces, par exemple dans l'environnement. Lorsque les mesures sont de courte durée, ou si les sources sont peu actives, l'analyse statistique standard ne donne plus une estimation fiable de l'activité et de son incertitude. L'introduction du concept bayesien d'a priori permet de modéliser l'information à disposition de l'observateur avant qu'il effectue la mesure. Cette information conduit à une estimation plus cohérente des grandeurs physiques recherchées. Le cadre de la théorie est tout d'abord présenté, définissant les concepts d'état, d'observation et de décision. La mesure physique est traduite par un modèle statistique qui est une probabilité de transition des états vers les observations. L'information de Fisher et celle de Shannon-Kullback sont introduites dans le but d'obtenir les a priori nécessaires au théorème de Bayes. Les modèles propres à la mesure de la radioactivité sont ensuite traités. Si l'on peut considérer l'activité comme constante, le modèle est celui de Poisson et conduit à des a priori de type gamma. Pour les grandes activités, ces deux lois se rapprochent des gaussiennes et l'on retrouve l'analyse statistique classique. Lorsque la décroissance du nombre de noyaux n'est plus négligeable, ou lors de l'évaluation de certains temps d'attente, d'autres modèles sont développés. Quelques applications sont présentées ensuite, notamment une définition cohérente des intervalles de confiance et l'estimation de l'activité de radionucléides à schéma complexe par spectrométrie gamma, où l'obtention de tout un spectre permet une analyse multidimensionnelle. Le paradigme bayesien conduit à une répartition complète et globale pour l'état du système physique mesuré. L'observateur obtient ainsi la meilleure estimation possible de l'état basée sur son modèle d'expérience et l'information préalable en sa possession.