Seismic attenuation and velocity dispersion in heterogeneous partially saturated porous rocks

Using a numerical approach, we explore wave-induced fluid flow effects in partially saturated porous rocks in which the gas-water saturation patterns are governed by mesoscopic heterogeneities associated with the dry frame properties. The link between the dry frame properties and the gas saturation is defined by the assumption of capillary pressure equilibrium, which in the presence of heterogeneity implies that neighbouring regions can exhibit different levels of saturation. To determine the equivalent attenuation and phase velocity of the synthetic rock samples considered in this study, we apply a numerical upscaling procedure, which permits to take into account mesoscopic heterogeneities associated with the dry frame properties as well as spatially continuous variations of the pore fluid properties. The multiscale nature of the fluid saturation is taken into account by locally computing the physical properties of an effective fluid, which are then used for the larger-scale simulations. We consider two sets of numerical experiments to analyse such effects in heterogeneous partially saturated porous media, where the saturation field is determined by variations in porosity and clay content, respectively. In both cases we also evaluate the seismic responses of corresponding binary, patchy-type saturation patterns. Our results indicate that significant attenuation and modest velocity dispersion effects take place in this kind of media for both binary patchy-type and spatially continuous gas saturation patterns and in particular in the presence of relatively small amounts of gas. The numerical experiments also show that the nature of the gas distribution patterns is a critical parameter controlling the seismic responses of these environments, since attenuation and velocity dispersion effects are much more significant and occur over a broader saturation range for binary patchy-type gas-water distributions. This analysis therefore suggests that the physical mechanisms governing partial saturation should be accounted for when analysing seismic data in a poroelastic framework. In this context, heterogeneities associated with the dry frame properties, which do not play important roles in wave-induced fluid flow processes per se, should be taken into account since they may determine the kind of gas distribution pattern taking place in the porous rock.

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.

Metamorphism and kinetics in the Torres del Paine contact aureole

Contact aureoles provide an excellent geologic environment to study the mechanisms of metamorphic reactions in a natural system. The Torres del Paine (TP) intrusion is one of the most spectacular natural laboratories because of its excellent outcrop conditions. It formed in a period from 12.59 to 12.43 Ma and consists of three large granite and four smaller mafic batches. The oldest granite is on top, the youngest at the bottom of the granitic complex, and the granites overly the mafic laccolith. The TP intruded at a depth of 2-3 km into regional metamorphic anchizone to greenschist facies pelites, sandstones, and conglomerates of the Cerro Toro and Punta Barrosa formations. It formed a thin contact aureole of 150-400 m width. This thesis focuses on the reaction kinetics of the mineral cordierite in the contact aureole using quantitative textural analysis methods. First cordierite was formed from chlorite break¬down (zone I, ca. 480 °C, 750 bar). The second cordierite forming reaction was the muscovite break-down, which is accompanied by a modal decrease in biotite and the appearance of k- feldspar (zone II, 540-550 °C, 750 bar). Crystal sizes of the roundish, poikiloblastic cordierites were determined from microscope thin section images by manually marking each crystal. Images were then automatically processed with Matlab. The correction for the intersection probability of each crystal radius yields the crystal size distribution in the rock. Samples from zone I below the laccolith have the largest crystals (0.09 mm). Cordierites from zone II are smaller, with a maximum crystal radius of 0.057 mm. Rocks from zone II have a larger number of small cordierite crystals than rocks from zone I. A combination of these quantitative analysis with numerical modeling of nucleation and growth, is used to infer nucleation and growth parameters which are responsible for the observed mineral textures. For this, the temperature-time paths of the samples need to be known. The thermal history is complex because the main body of the intrusion was formed by several intrusive batches. The emplacement mechanism and duration of each batch can influence the thermal structure in the aureole. A possible subdivision of batches in smaller increments, so called pulses, will focus heat at the side of the intrusion. Focusing all pulses on one side increases the contact aureole size on that side, but decreases it on the other side. It forms a strongly asymmetric contact aureole. Detailed modeling shows that the relative thicknesses of the TP contact aureole above and below the intrusion (150 and 400 m) are best explained by a rapid emplacement of at least the oldest granite batch. Nevertheless, temperatures are significantly too low in all models, compared to observed mineral assemblages in the hornfelses. Hence, an other important thermal mechanisms needs to take place in the host rock. Clastic minerals in the immature sediments outside the contact aureole are hydrated due to small amounts of expelled fluids during contact metamorphism. This leads to a temperature increase of up to 50 °C. The origin of fluids can be traced by stable isotopes. Whole rock stable isotope data (6D and δ180) and chlorine concentrations in biotite document that the TP intrusion induced only very small amounts of fluid flow. Oxygen whole rock data show δ180 values between 9.0 and 10.0 %o within the first 5 m of the contact. Values increase to 13.0 - 15.0 %o further away from the intrusion. Whole rock 6D values display a more complex zoning. First, host rock values (-90 to -70 %o) smoothly decrease towards the contact by ca. 20 %o, up to a distance of ca. 150 m. This is followed by an increase of ca. 20 %o within the innermost 150 m of the aureole (-97.0 to -78 %o at the contact). The initial decrease in 6D values is interpreted to be due to Rayleigh fractionation accompanying the dehydration reactions forming cordierite, while the final increase reflects infiltration of water-rich fluids from the intrusion. An over-estimate on the quantity and the corresponding thermal effect yields a temperature increase of less than 30 °C. This suggests that fluid flow might have contributed only for a small amount to the thermal evolution of the system. A combination of the numerical growth model with the thermal model, including the hydration reaction enthalpies but neglecting fluid flow and incremental growth, can be used to numerically reproduce the observed cordierite textures in the contact aureole. This yields kinetic parameters which indicate fast cordierite crystallization before the thermal peak in the inner aureole, and continued reaction after the thermal peak in the outermost aureole. Only small temperature dependencies of the kinetic parameters seem to be needed to explain the obtained crystal size data. - Les auréoles de contact offrent un cadre géologique privilégié pour l'étude des mécanismes de réactions métamorphiques associés à la mise en place de magmas dans la croûte terrestre. Par ses conditions d'affleurements excellentes, l'intrusion de Torres del Paine représente un site exceptionnel pour améliorer nos connaissances de ces processus. La formation de cette intrusion composée de trois injections granitiques principales et de quatre injections mafiques de volume inférieur couvre une période allant de 12.50 à 12.43 Ma. Le plus vieux granite forme la partie sommitale de l'intrusion alors que l'injection la plus jeune s'observe à la base du complexe granitique; les granites recouvrent la partie mafique du laccolite. L'intrusion du Torres del Paine s'est mise en place a 2-3 km de profondeur dans un encaissant métamorphique. Cet encaissant est caractérisé par un métamorphisme régional de faciès anchizonal à schiste vert et est composé de pélites, de grès, et des conglomérats des formations du Cerro Toro et Punta Barrosa. La mise en place des différentes injections granitiques a généré une auréole de contact de 150-400 m d'épaisseur autour de l'intrusion. Cette thèse se concentre sur la cinétique de réaction associée à la formation de la cordiérite dans les auréoles de contact en utilisant des méthodes quantitatives d'analyses de texture. On observe plusieurs générations de cordiérite dans l'auréole de contact. La première cordiérite est formée par la décomposition de la chlorite (zone I, environ 480 °C, 750 bar), alors qu'une seconde génération de cordiérite est associée à la décomposition de la muscovite, laquelle est accompagnée par une diminution modale de la teneur en biotite et l'apparition de feldspath potassique (zone II, 540-550 °C, 750 bar). Les tailles des cristaux de cordiérites arrondies et blastic ont été déterminées en utilisant des images digitalisées des lames minces et en marquant individuellement chaque cristal. Les images sont ensuite traitées automatiquement à l'aide du programme Matlab. La correction de la probabilité d'intersection en fonction du rayon des cristaux permet de déterminer la distribution de la taille des cristaux dans la roche. Les échantillons de la zone I, en dessous du lacolite, sont caractérisés par de relativement grands cristaux (0.09 mm). Les cristaux de cordiérite de la zone II sont plus petits, avec un rayon maximal de 0.057 mm. Les roches de la zone II présentent un plus grand nombre de petits cristaux de cordiérite que les roches de la zone I. Une combinaison de ces analyses quantitatives avec un modèle numérique de nucléation et croissance a été utilisée pour déduire les paramètres de nucléation et croissance contrôlant les différentes textures minérales observées. Pour développer le modèle de nucléation et de croissance, il est nécessaire de connaître le chemin température - temps des échantillons. L'histoire thermique est complexe parce que l'intrusion est produite par plusieurs injections successives. En effet, le mécanisme d'emplace¬ment et la durée de chaque injection peuvent influencer la structure thermique dans l'auréole. Une subdivision des injections en plus petits incréments, appelés puises, permet de concentrer la chaleur dans les bords de l'intrusion. Une mise en place préférentielle de ces puises sur un côté de l'intrusion modifie l'apport thermique et influence la taille de l'auréole de contact produite, auréole qui devient asymétrique. Dans le cas de la première injection de granite, une modélisation détaillée montre que l'épaisseur relative de l'auréole de contact de Torres del Paine au-dessus et en dessous de l'intrusion (150 et 400 m) est mieux expliquée par un emplacement rapide du granite. Néanmoins, les températures calculées dans l'auréole de con¬tact sont trop basses pour que les modèles thermiques soient cohérants par rapport à la taille de cette auréole. Ainsi, un autre mecanisme exothermique est nécessaire pour permettre à la roche encais¬sante de produire les assemblages observés. L'observation des roches encaissantes entourant les granites montre que les minéraux clastiques dans les sédiments immatures au-dehors de l'auréole sont hydratés suite à la petite quantité de fluide expulsée durant le métamorphisme de contact et/ou la mise en place des granites. Les réactions d'hydratation peuvent permettre une augmentation de la température jusqu'à 50 °C. Afin de déterminer l'origine des fluides, une étude isotopique de roches de l'auréole de contact a été entreprise. Les isotopes stables d'oxygène et d'hydrogène sur la roche totale ainsi que la concentration en chlore dans la biotite indiquent que la mise en place des granites du Torres del Paine n'induit qu'une circulation de fluide limitée. Les données d'oxygène sur roche totale montrent des valeurs δ180 entre 9.0 et 10.0%o au sein des cinq premiers mètres du contact. Les valeurs augmentent jusqu'à 13.0 - 15.0 plus on s'éloigne de l'intrusion. Les valeurs 5D sur roche totale montrent une zonation plus complexe. Les valeurs de la roche encaissante (-90 à -70%o) diminuent progressivement d'environ 20%o depuis l'extérieur de l'auréole jusqu'à une distance d'environ 150 m du granite. Cette diminution est suivie par une augmentation d'environ 20%o au sein des 150 mètres les plus proches du contact (-97.0 à -78%o au contact). La diminution initiale des valeurs de 6D est interprétée comme la conséquence du fractionnement de Rayleigh qui accompagne les réactions de déshydratation formant la cordiérite, alors que l'augmentation finale reflète l'infiltration de fluide riche en eau venant de l'intrusion. A partir de ces résultats, le volume du fluide issu du granite ainsi que son effet thermique a pu être estimé. Ces résultats montrent que l'augmentation de température associée à ces fluides est limitée à un maximum de 30 °C. La contribution de ces fluides dans le bilan thermique est donc faible. Ces différents résultats nous ont permis de créer un modèle thermique associé à la for¬mation de l'auréole de contact qui intègre la mise en place rapide du granite et les réactions d'hydratation lors du métamorphisme. L'intégration de ce modèle thermique dans le modèle numérique de croissance minérale nous permet de calculer les textures des cordiérites. Cepen¬dant, ce modèle est dépendant de la vitesse de croissance et de nucléation de ces cordiérites. Nous avons obtenu ces paramètres en comparant les textures prédites par le modèle et les textures observées dans les roches de l'auréole de contact du Torres del Paine. Les paramètres cinétiques extraits du modèle optimisé indiquent une cristallisation rapide de la cordiérite avant le pic thermique dans la partie interne de l'auréole, et une réaction continue après le pic thermique dans la partie la plus externe de l'auréole. Seules de petites dépendances de température des paramètres de cinétique semblent être nécessaires pour expliquer les don¬nées obtenues sur la distribution des tailles de cristaux. Ces résultats apportent un éclairage nouveau sur la cinétique qui contrôle les réactions métamorphiques.

Geological transect across the Northwestern Himalaya in eastern Ladakh and Lahul (A model for the continental collision of India and Asia)

The detailed geological mapping and structural study of a complete transect across the northwestern Himalaya allow to describe the tectonic evolution of the north Indian continental margin during the Tethys ocean opening and the Himalayan Orogeny. The Late Paleozoic Tethys rifting is associated with several tectonomagmatic events. In Upper Lahul and SE Zanskar, this extensional phase is recorded by Lower Carboniferous synsedimentary transtensional faults, a Lower Permian stratigraphic unconformity, a Lower Permian granitic intrusion and middle Permian basaltic extrusions (Panjal Traps). In eastern Ladakh, a Permian listric normal fault is also related to this phase. The scarcity of synsedimentary faults and the gradual increase of the Permian syn-rift sediment thickness towards the NE suggest a flexural type margin. The collision of India and Asia is characterized by a succession of contrasting orogenic phases. South of the Suture Zone, the initiation of the SW vergent Nyimaling-Tsarap Nappe corresponds to an early phase of continental underthrusting. To the S, in Lahul, an opposite underthrusting within the Indian plate is recorded by the NE vergent Tandi Syncline. This structure is associated with the newly defined Shikar Beh Nappe, now partly eroded, which is responsible for the high grade (amphibolite facies) regional metamorphism of South Lahul. The main thrusting of the Nyimaling-Tsarap Nappe followed the formation of the Shikar Beh Nappe. The Nyimaling-Tsarap Nappe developed by ductile shear of the upper part of the subducted Indian continental margin and is responsible for the progressive regional metamorphism of SE Zanskar, reaching amphibolite facies below the frontal part of the nappe, near Sarchu. In Upper Lahul, the frontal parts of the Nyimaling-Tsarap and Shikar Beh nappes are separated by a zone of low grade metamorphic rocks (pumpellyite-actinolite facies to lower greenschist facies). At high structural level, the Nyimaling-Tsarap Nappe is characterized by imbricate structures, which grade into a large ductile shear zone with depth. The related crustal shortening is about 87 km. The root zone and the frontal part of this nappe have been subsequently affected by two zones of dextral transpression and underthrusting: the Nyimaling Shear Zone and the Sarchu Shear Zone. These shear zones are interpreted as consequences of the counterclockwise rotation of the continental underthrusting direction of India relative to Asia, which occurred some 45 and 36 Ma ago, according to plate tectonic models. Later, a phase of NE vergent `'backfolding'' developed on these two zones of dextral transpression, creating isoclinal folds in SE Zanskar and more open folds in the Nyimaling Dome and in the Indus Molasse sediments. During a late stage of the Himalayan Orogeny, the frontal part of the Nyimaling-Tsarap Nappe underwent an extension of about 15 km. This phase is represented by two types of structures, responsible for the tectonic unroofing of the amphibolite facies rocks of the Sarchu area: the Sarchu high angle Normal Fault, cutting a first set of low angle normal faults, which have been created by reactivation of older thrust planes related to the Nyimaling-Tsarap Nappe.

The Exotic Palaeo-Thethys Terrane in Central Iran: New geological data from Anarak, Jandaq and Posht-e-Badam areas

Résumé Le « terrane » d'Anarak-Jandak occupe une position géologique clé au nord-ouest du Microcontinent Centre-East Iranien (CE1M), connecté avec le Bloc du Grand Kavir et la ceinture métamorphique de Sanandaj-Sirjan. Nous discutons ici l'origine de ces différentes unités, reliées jusqu'à présent à des épisodes orogéniques d'âge Précambrien à Paléozoïque inférieur, pour conclure finalement de leur affinité paléotéthysienne. Leur histoire commence par un épisode de rifting d'âge Ordovicien supérieur-Dévonien inférieur, pour se terminer au Trias par la collision des blocs Cimmériens dérivé du Gondwana avec le Bloc du Turan d'affinité asiatique (événement Eocimmérien). La plus importante unité métamorphique affleurant au sud-ouest de la région de Jandak-Anarak-Kaboudan est une épaisse séquence silicoclastique à grains fins contenant des blocs ophiolitiques (marginal-sea-type), et des associations basalte-gabbro à signatures géochimiques de type supra-subduction. Dans la région de Nakhlak, nous avons daté ces gabbros par la méthode U-Pb à 387f0.11 Ma ; les roches métamorphiques pélitiques ont donné des âges de refroidissement Ar-Ar pour la muscovite de 320 à 333 Ma. Ce complexe d'accrétion "varisque" a été métamorphisé dans le faciès schiste vert-amphibolite au cours de l'accrétion de la ceinture granitique d'Airekan, d'âge Cambrien inférieur (549±15 Ma par la méthode U/Pb), qui affleure aujourd'hui à l'extrémité nord-ouest du terrane d'Anarak-Jandak . La subduction vers le nord de l'océan Paléotéthys depuis le Paléazoïque supérieur jusqu'au Trias, a permis l'accumulation de grandes quantités de matériel océanique dans la zone de subduction. Par exemple, une succession de guyots (Anarak, Kaboudan, et Meraji Seamounts) et de hauts sous-marins, entrés en collision oblique avec le prisme d'accrétion, est à l'origine d'un léger métamorphisme de type HP qui affecte ces séries {âges Ar-Ar de 280 à 230 Ma). De plus, le magmatisme bimodal de Chah Gorbeh est caractérisé d'une part par des roches de type trondjémite-gabbros (262 Ma), d'autre part par des laves en coussin de type basaltes alcalins-rhyolites; ces roches magmatiques ont recoupé l'ophiolite d'Anarak lors de la mise en place de cette dernière dans la fosse interne de subduction. Quant au prisme d'accrétion de Doshakh, d'âge essentiellement Permien supérieur, i1 a été accrété le long de la marge continentale et métamorphisé dans le faciès schiste vert. La fermeture de la Paléotéthys s'enregistre finalement par la sédimentation dans le bassin d'avant pays du flysch de Bayazeh, d'âge probable Triasique. Le matériel issu de l'arc magmatique de la Paléotéthys est très bien préservé dans les dépôts infra-arc Dévonien supérieur-Carbonifère de Godar-e-Siah, ainsi que dans la succession d'avant-arc de Nakhlak. Pendant l'intervalle Paléozoïque supérieur-Trias, la région de Jandak a été soumise à un régime extensif de type bassin d'arrière-arc, dont un témoin pourrait être la ceinture ophiolitique d'Arusan, elle-même comparable aux écailles ophiolitiques d'Aghdarband au nord-est de l'Iran. Cet ensemble métamorphique est recoupé par des granites d'arc à collisionnel datés à 215±15 Ma. Dans la région de Yazd, témoin de la marge passive Cimmérienne, la sédimentation syn-rift Silurienne à Dévonienne inférieure a été interrompue pendant l'intervalle Trias moyen-Trias supérieur; il en a été de même pour les dépôts de plate-forme Paléozoïque supérieur. L'érosion, qui dans ce dernier cas a atteint le Permien, pourrait être liée au bombement flexural de la marge passive. La collision finale n'a pas induit de déformations trop importantes, et se caractérise par la mise en place de nappes sur la marge passive. Cet événement est scellé par des dépôts molassique du Lias. D'un point de vue régional, la zone s'étendant actuellement de la Mer Noire au Pamir a été soumise à six épisodes d'extension-compression du Jurassique inférieur (début du l'ouverture en position arrière-arc de la Néotéthys) à l'Eocène moyen. Par exemple, le terrane d'AnarakJandak, probablement situé entre le Kopeh Dagh et la plate-forme nord Afghane, s'est complètement détaché de sa patrie d'origine au début du Crétacé supérieur. Des preuves de cet événement se retrouvent dans les séries de plate-forme de Khur (préservation de séries syn-rift puis de marge passive). Les ophiolites de Nain et de Sabzevar sont de plus interprétée comme un témoin de l'existence de ce bassin d'arrière-arc. Dans l'intervalle Eocène-Oligocène, l'indentation par la plaque indienne de l'Eurasie a été contemporaine de la rotation horaire de fragments de l'ancien microcontinent Iranien et de la formation du CEIM. Cette rotation est responsable du transport du terrane d'Anarak-Jandak vers sa position actuelle en Iran Central, et de la dislocation de Terranes de moindre importance, comme le bloc de Posht-e Badam. Depuis le Miocène supérieur, et à la suite de la collision entre l'Arabie et l'Iran, le ternane d'Anarak-Jandak a subi des déformations liées à l'activité d'une zone de cisaillement dextre parallèle à la suture du Zagros, à l'arrière de l'arc magmatique d'Uromieh-Dokhtar. Résumé large public Le Microcontinent Centre-Est Iranien occupe une position géologique clé au centre de l'Iran. Les différentes unités qui le composent, reliées jusqu'à présent à des épisodes orogéniques d'âge Précambrien à Paléozoïque inférieur, sont maintenant rajeunies et liés à la fermeture de l'océean Paléotéthys. Leur histoire commence par un épisode de rifting d'âge Ordovicien supérieur à Dévonien inférieur, pour se terminer au Trias par la collision des- blocs Cimmériens, dérivés du Gondwana, avec le Bloc du Turan d'affinité asiatique. Dans la marge active asiatique de la Paléotéthys, nous avons daté les restes d'un océan marginal à 387±0.11 Ma. Ce complexe d'accrétion a été métamorphisé au cours de la réaccrétion de la ceinture granitique d'Airekan, d'âge Cambrien inférieur (549±15 Ma), qui affleure aujourd'hui à l'extrémité nord-ouest du « terrane » d'Anarak-Jandak correspondant à la plus grande partie de la région étudiée. Le matériel issu de l'arc magmatique de la Paléotéthys est très bien préservé et daté du Dévonien supérieur-Carbonifère. Pendant l'intervalle Paléozoïque supérieur-Trias, la région a été soumise à un régime extensif de type bassin d'arrière-arc, dont un témoin pourrait être la ceinture ophiolitique d'Arusan, comparable aux écailles ophiolitiques d'Aghdarband au nord-est de l'Iran. Cet ensemble métamorphique est recoupé par des granites datés à 215±15 Ma. La subduction vers le nord de l'océan Paléotéthys depuis le Paléozoïque supérieur jusqu'au Trias, a permis l'accumulation de grandes quantités de matériel océanique dans la zone de subduction. Par exemple, une succession de volcans sous-marins, entrés en collision avec le prisme d'accrétion, est à l'origine d'un léger métamorphisme de type HP qui affecte ces séries (280 à 230 Ma). Quant au prisme d'accrétion de Doshakh, d'âge essentiellement Permien supérieur, il a été mis en place le long de la marge continentale et métamorphisé dans le faciès schiste vert. La fermeture de la Paléotéthys s'enregistre finalement par la sédimentation dans le bassin d'avant pays du flysch de Bayazeh, d'âge Triasique. Dans la région de Yazd, on trouve les témoins de la marge passive Cimmérienne, la sédimentation syn-rift Silurienne à Dévonienne inférieure a été interrompue pendant l'intervalle Trias moyen-Trias supérieur, marqué par la flexuration de la marge passive lorsqu'elle rentra en collision avec la marge active asiatique. Cet événement est scellé par des dépôts molassique à charbon du Lias. Le «terrane» d'Anarak-Jandak, probablement situé à l'origine entre le Kopeh Dagh et la plate-forme nord Afghane, s'est complètement détaché de cette région au début du Crétacé supérieur lors de l'ouverture d'un bassin d'arrière-arc, engendré, cette fois, par la subduction de l'océan Néotéthys situé au sud des blocs cimmériens. Des preuves de cet événement se retrouvent dans les séries syn-rift, puis de marge passive de Khour. Les ophiolites de Nain et de Sabzevar sont interprétées comme un témoin de l'existence de ce bassin d'arrière-arc. Dans l'intervalle Eocène-Oligocène, l'indentation de l'Eurasie par la plaque indienne a été contemporaine de la rotation horaire de fragments de l'ancien microcontinent centre-Iranien. Cette rotation de près de 90° est responsable du transport du « terrane » d'Anarak-Jandak vers sa position actuelle. Abstract The Anarak-Jandaq terrane occupies a strategic geological situation at the north-western part of the Central-East Iranian Microcontinent (CEIM) and in connection with the Great Kavir Block and Sanandaj-Sirjan metamorphic belt. Our recent findings redefine the origin of these mentioned areas so far attributed to the Precambrian-Early Palaeozoic orogenic episodes, to be now directly related to the tectonic evolution of the Palaeo-Tethys Ocean, commenced by Late Ordovician-Early Devonian rifting events and terminated in the Triassic by the Eocimmerian tectonic event due to the collision of the Cimmerian blocks with the Asiatic Turan block. The most distributed metamorphic unit that is exposed from the south-west of Jandaq to the Anarak and Kaboudan areas is a thick and fine grain siliciclastic sequence accompanied by marginal-sea-basin ophiolitic blocks including basalt-gabbro association with supra-subduction-geochemical signature. These gabbros in the Nakhlak area were dated by U/Pb method at 387.6 ± 0.11 Ma and the metamorphic pelitic rocks yielded a range of 320 to 333 Ma muscovite-cooling ages based on 40Ar/39 Ar method. This "Variscan" accretionary complex was metamorphosed in greenschist-amphibolite facies during accretion to the Lower Cambrian Airekan granitic belt (549 ± 15 Ma by U/Pb method) that crops out at the northwestern edge of the Anarak-Jandaq terrane. Continued northward subduction of the Palaeo-Tethys Ocean during the entire Late Palaeozoic-Middle Triassic brought huge amount of oceanic material to the subduction zone. One chain of Carboniferous-Triassic oceanic rises and seamounts (the Anarak, Kaboudan, and Meraji Seamounts) obliquely collided with the accretionary wedge and created a mild HP metamorphic event (280-230 Ma based on 40Ar/39Ar results). Bimodal magmatism of the Chah Gorbeh area is characterized by a 262 Ma trondjemite-gabbro as well as pillow alkalibasalts-rhyolites which intruded the Anarak ophiolite when it was being emplaced within the inner-wall trench. The mainly Late Permian-Triassic Doshakh wedge was accreted along the continent and metamorphosed under lower greenschist facies and the probable Triassic Bayazeh flysch filled the foreland basin during the final closure. The Palaeo-Tethys magmatic arc products have been well preserved in the Late Devonian-Carboniferous Godar-e-Siah intra-arc deposits and the Triassic Nakhlak fore-arc succession. During the Late Palaeozoic-Triassic times, the Jandaq area has been affected by back-arc extension and probably the Arusan ophiolitic belt is the remnant of this narrow basin comparable to the Aqdarband ophiolitic remnant in north-east Iran. This metamorphic belt was intruded by 215 ± 15 Ma arc to collisional granites. In the passive margin of the Cimmerian block, on the Yazd region, the Silurian-Early Devonian syn-rift succession as well as the nearly continuous Upper Palaeozoic platform-type deposition was interrupted during the Middle to Late Triassic time, local erosion down to Devonian levels may be related to flexural bulge erosion. The collision event was not so strong to generate intensive deformation but was accompanied by some nappe thrusting onto the passive margin. It is finally unconformably covered by Liassic continental molassic deposits. Related to the onset of Neo-Tethyan back-arc opening in Early Jurassic to Mid-Eocene times, six periods of extensional-compressional events have differently influenced an elongated area, extending from the West Black Sea to Pamir. The Anarak-Jandaq terrane which was situated somewhere in this affected area, probably between the Kopeh Dagh and North Afghan platform, was completely detached from its source at the beginning of the Late Cretaceous

Volatile transport during the crystallization of anatectic melts: Oxygen, boron and hydrogen stable isotope study on the metamorphic complex of Naxos, Greece

Crystallization of anatectic melts in high-temperature metamorphic terrains releases volatile-rich magmas that can be transported into adjacent lithologies. This study addresses the variations in the oxygen, boron and hydrogen isotopic composition of aplite-pegmatite dikes that formed during the crystallization of anatectic melts in regional high-temperature metamorphism on the island of Naxos, Greece, and propagated upward into the overlying sequences of metamorphic schist. The transport distance of these dikes was increased through a significant horizontal component of travel that was imposed by contemporaneous low-angle extensional shearing. Laser fluorination oxygen isotope analyses of quartz, tourmaline, garnet, and biotite mineral separates from the aplite-pegmatite dikes show a progressive rise in delta(18)O values with increasing distance from the core. Oxygen isotope fractionations among quartz, tourmaline, and garnet show temperature variations from > 700degreesC down to similar to400degreesC. This range is considered to reflect isotopic fractionation beginning with crystallization at high temperatures in water-undersaturated conditions and then evolving through lower temperature crystallization and retrograde sub-solidus exchange. Two processes are examined for the cause of the progressive increase in delta(18)O values: (1) heterogeneous delta(18)O sources and (2) fluid-rock exchange between the aplite/pegmatite magmas and their host rock. Although the former process cannot be ruled out, there is as yet no evidence in the exposed sequences on Naxos for the presence of a suitable high delta(18)O magma source. In contrast, a tendency for the delta(18)O of quartz in the aplite/pegmatite dikes to approach that of the quartz in the metamorphic rock suggests that fluid-rock exchange with the host rock may potentially be an important process. Advection of fluid into the magma is examined based on Darcian fluid flow into an initially water-undersaturated buoyantly propagating aplitic dike magma. It is shown that such advective flow could only account for part of the O-18-enrichment, unless it were amplified by repeated injection of magma pulses, fluid recycling, and deformation-assisted post-crystallization exchange. The mechanism is, however, adequate to account for hydrogen isotope equilibration between dike and host rock. In contrast, variations in the delta(11)B values of tourmalines suggest that B-11/B-10 fractionation during crystallization and/or magma degassing was the major control of boron geochemistry rather than fluid-rock interaction and that the boron isotopic system was decoupled from that of oxygen. Copyright (C) 2003 Elsevier Ltd.

Origin of mineralizing fluids of the sediment-hosted Navachab gold mine, Namibia: Constraints from stable (O, H, C, S) isotopes

The Navachab gold mine in the Damara belt of central Namibia is characterized by a polymetallic Au-Bi-As-Cu-Ag ore assemblage, including pyrrhotite, chalcopyrite, sphalerite, arsenopyrite, bismuth, gold, bismuthinite, and bismuth tellurides. Gold is hosted by quartz sulfide veins and semimassive sulfide lenses that are developed in a near-vertical sequence of shelf-type metasedimentary rocks, including marble, calcsilicate rock, and biotite schist. The sequence has been intruded by abundant syntectonic lamprophyre, aplite, and pegmatite dikes, documenting widespread igneous activity coeval with mineralization. The majority of quartz from the veins has delta(18)O values of 14 to 15 per mil (V-SMOW). The total variations in delta(18)O values of the biotite schist and calcsilicate rock are relatively small (12-14 parts per thousand), whereas the marble records steep gradients in delta(18)O values (17-21 parts per thousand), the lowest values being recorded at the vein margins. Despite this, there is no correlation between delta(18)O and delta(13)C values and the carbonate content of the rocks, indicating that fluid-rock interaction alone cannot explain the isotopic gradients. In addition, the marble records increased delta(13)C values at the contact to the veins, possibly related to a change in the physicochemical conditions during fluid-rock interaction. Gold is interpreted to have precipitated in equilibrium with metamorphic find (delta(18)O 12-14 parts per thousand; delta D = -40 to -60 parts per thousand) at peak metamorphic conditions of ca. 550 degrees C and 2 kbars, consistent with isotopic fractionations between coexisting calcite, garnet, and clinopyroxene in the alteration halos. The most likely source of the mineralizing fluid was a midcrustal fluid in equilibrium with the Damaran metapelites that underwent prograde metamorphism at amphibolite- to granulite-facies grades. Although there is no isotopic evidence for the contribution of magmatic fluids, they may have been important in contributing to the overall hydraulic regime and high apparent geothermal gradients (ca. 80 degrees C/km(-1)) in the mine area.

Seismic attenuation in heterogeneous partially saturated rocks

We study wave-induced fluid flow effects in porous rocks partially saturated with gas and water, where the saturation patterns are governed by mesoscopic heterogeneities associated with the dry frame properties. The link between the dry frame properties and the gas saturation is defined by the assumption of capillary pressure equilibrium, which in the presence of heterogeneity implies that neighboring regions can exhibit different levels of saturation. In order to determine the equivalent attenuation and phase velocity of the synthetic rock samples considered in this study, we apply a numerical upscaling procedure, which permits to take into account mesoscopic heterogeneities associated with the dry frame properties as well as spatially continuous variations of the pore fluid properties. We consider numerical experiments to analyze such effects in heterogeneous partially saturated porous media, where the saturation field is determined by realistic variations in porosity. Our results indicate that the spatially continuous nature of gas saturation inherent to this study is a critical parameter controlling the seismic response of these environments, which in turn suggests that the physical mechanisms governing partial saturation should be accounted for when analyzing seismic data in a poro-elastic context.

Heterogeneous 40Ar* distributions in naturally deformed muscovite: in situ UV-laser ablation evidence for micro structurally controlled intragrain diffusion

Micas are commonly used in Ar-40/Ar-39 thermochronological studies of variably deformed rocks yet the physical basis by which deformation may affect radiogenic argon retention in mica is poorly constrained. This study examines the relationship between deformation and deformation-induced microstructures on radiogenic argon retention in muscovite, A combination of furnace step-heating and high-spatial resolution in situ UV-laser ablation Ar-40/Ar-39 analyses are reported for deformed muscovites sampled from a granitic pegmatite vein within the Siviez-Mischabel Nappe, western Swiss Alps (Penninic domain, Brianconnais unit). The pegmatite forms part of the Variscan (similar to 350 Ma) Alpine basement and exhibits a prominent Alpine S-C fabric including numerous mica `fish' that developed under greenschist facies metamorphic conditions, during the dominant Tertiary Alpine tectonic phase of nappe emplacement. Furnace step-heating of milligram quantities of separated muscovite grains yields an Ar-40/Ar-39 age spectrum with two distinct staircase segments but without any statistical plateau, consistent with a previous study from the same area. A single (3 X 5 mm) muscovite porphyroclast (fish) was investigated by in situ UV-laser ablation. A histogram plot of 170 individual Ar-40/Ar-39 UV-laser ablation ages exhibit a range from 115 to 387 Ma with modes at approximately 340 and 260 Ma. A variogram statistical treatment of the (40)Ad/Ar-39 results reveals ages correlated with two directions; a highly correlated direction at 310 degrees and a lesser correlation at 0 degrees relative to the sense of shearing. Using the highly correlated direction a statistically generated (Kriging method) age contour map of the Ar-40/Ar-39 data reveals a series of elongated contours subparallel to the C-surfaces which where formed during Tertiary nappe emplacement. Similar data distributions and slightly younger apparent ages are recognized in a smaller mica fish. The observed intragrain age variations are interpreted to reflect the partial loss of radiogenic argon during Alpine (similar to 35 Ma) greenschist facies metamorphism. One-dirnensional diffusion modelling results are consistent with the idea that the zones of youngest apparent age represent incipient shear band development within the mica porphyroclasts, thus providing a network of fast diffusion pathways. During Alpine greenschist facies metamorphism the incipient shear bands enhanced the intragrain loss of radiogenic argon. The structurally controlled intragrain age variations observed in this investigation imply that deformation has a direct control on the effective length scale for argon diffusion, which is consistent with the heterogeneous nature of deformation. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

The magmatic to hydrothermal evolution of the intrusive Mont Saint-Hilaire Complex: Insights into the late-stage evolution of peralkaline rocks

The Cretaceous Mont Saint-Hilaire complex (Quebec, Canada) comprises three major rock units that were emplaced in the following sequence: (I) gabbros; (II) diorites; (III) diverse partly agpaitic foid syenites. The major element compositions of the rock-forming minerals, age-corrected Nd and oxygen isotope data for mineral separates and trace element data of Fe-Mg silicates from the various lithologies imply a common source for all units. The distribution of the rare earth elements in clinopyroxene from the gabbros indicates an ocean island basalt type composition for the parental magma. Gabbros record temperatures of 1200 to 800 degrees C, variable silica activities between 0 center dot 7 and 0 center dot 3, and f(O2) values between -0 center dot 5 and +0 center dot 7 (log delta FMQ, where FMQ is fayalite-magnetite-quartz). The diorites crystallized under uniform a(SiO2) (a(SiO2) = 0 center dot 4-0 center dot 5) and more reduced f(O2) conditions (log delta FMQ similar to-1) between similar to 1100 and similar to 800 degrees C. Phase equilibria in various foid syenites indicate that silica activities decrease from 0 center dot 6-0 center dot 3 at similar to 1000 degrees C to < 0 center dot 3 at similar to 550 degrees C. Release of an aqueous fluid during the transition to the hydrothermal stage caused a(SiO2) to drop to very low values, which results from reduced SiO(2) solubilities in aqueous fluids compared with silicate melts. During the hydrothermal stage, high water activities stabilized zeolite-group minerals. Fluid inclusions record a complex post-magmatic history, which includes trapping of an aqueous fluid that unmixed from the restitic foid syenitic magma. Cogenetic aqueous and carbonic fluid inclusions reflect heterogeneous trapping of coexisting immiscible external fluids in the latest evolutionary stage. The O and C isotope characteristics of fluid-inclusion hosted CO(2) and late-stage carbonates imply that the surrounding limestones were the source of the external fluids. The mineral-rich syenitic rocks at Mont Saint-Hilaire evolved as follows: first, alkalis, high field strength and large ion lithophile elements were pre-enriched in the (late) magmatic and subsequent hydrothermal stages; second, percolation of external fluids in equilibrium with the carbonate host-rocks and mixing processes with internal fluids as well as fluid-rock interaction governed dissolution of pre-existing minerals, element transport and precipitation of mineral assemblages determined by locally variable parameters. It is this hydrothermal interplay between internal and external fluids that is responsible for the mineral wealth found at Mont Saint-Hilaire.

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

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

Two-stage, extreme albitization of A-type granites from Rajasthan, NW India

Albitization is a common process during which hydrothermal fluids convert plagioclase and/or K-feldspar into nearly pure albite; however, its specific mechanism in granitoids is not well understood. The c. 1700 Ma A-type metaluminous ferroan granites in the Khetri complex of Rajasthan, NW India, have been albitized to a large extent by two metasomatic fronts, an initial transformation of oligoclase to nearly pure albite and a subsequent replacement of microcline by albite, with sharp contacts between the microcline-bearing and microcline-free zones. Albitization has bleached the original pinkish grey granite and turned it white. The mineralogical changes include transformation of oligoclase (similar to An(12)) and microcline (similar to Or(95)) to almost pure albite (similar to An(0 center dot 5-2)), amphibole from potassian ferropargasite (X-Fe 0 center dot 84-0 center dot 86) to potassic hastingsite (X-Fe 0 center dot 88-0 center dot 97) and actinolite (X-Fe 0 center dot 32-0 center dot 67), and biotite from annite (X-Fe 0 center dot 71-0 center dot 74) to annite (X-Fe 0 center dot 90-0 center dot 91). Whole-rock isocon diagrams show that, during albitization, the granites experienced major hydration, slight gain in Si and major gain in Na, whereas K, Mg, Fe and Ca were lost along with Rb, Ba, Sr, Zn, light rare earth elements and U. Whole-rock Sm-Nd isotope data plot on an apparent isochron of 1419 +/- 98 Ma and reveal significant disturbance and at least partial resetting of the intrusion age. Severe scatter in the whole-rock Rb-Sr isochron plot reflects the extreme Rb loss in the completely albitized samples, effectively freezing Sr-87/Sr-86 ratios in the albite granites at very high values (0 center dot 725-0 center dot 735). This indicates either infiltration of highly radiogenic Sr from the country rock or, more likely, radiogenic ingrowth during a considerable time lag (estimated to be at least 300 Myr) between original intrusion and albitization. The albitization took place at similar to 350-400 degrees C. It was caused by the infiltration of an ascending hydrothermal fluid that had acquired high Na/K and Na/Ca ratios during migration through metamorphic rocks at even lower temperatures in the periphery of the plutons. Oxygen isotope ratios increase from delta O-18 = 7 parts per thousand in the original granite to values of 9-10 parts per thousand in completely albitized samples, suggesting that the fluid had equilibrated with surrounding metamorphosed crust. A metasomatic model, using chromatographic theory of fluid infiltration, explains the process for generating the observed zonation in terms of a leading metasomatic front where oligoclase of the original granite is converted to albite, and a second, trailing front where microcline is also converted to albite. The temperature gradients driving the fluid infiltration may have been produced by the high heat production of the granites themselves. The confinement of the albitized granites along the NE-SW-trending Khetri lineament and the pervasive nature of the albitization suggest that the albitizing fluids possibly originated during reactivation of the lineament. More generally, steady-state temperature gradients induced by the high internal heat production of A-type granites may provide the driving force for similar metasomatic and ore-forming processes in other highly enriched granitoid bodies.

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

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

Tertiary Himalayan structures and metamorphism in the Kulu Valley (Mandi-Khoksar transect of the Western Himalaya) - Shikar-Beh-nappe and crystalline nappe

The Crystalline Nappe of the High Himalayan Crystalline has been examined along the Kulu Valley and its vicinity (Mandi-Khoksar transect). This nappe was believed to have undergone deformation related only to its transport towards the SW essentially during the `'Main Central Thrust event''. New data has led to the conclusion that during the Himalayan orogeny, two distinctive phases, related to two opposite transport directions, characterize the evolution of this part of the chain, before the creation of the late NE-vergent backfolding. The first phase corresponds to an early NE-vergent folding and thrusting, creating the Tandi Syncline and the NE-oriented Shikar Beh Nappe stack, with a displacement amplitude of about 50 km. Two schistosities, together with a strong stretching lineation are developed at a deep tectonic level under amphibolite facies conditions (kyanite-staurolite-garnet-two mica schists). At a higher tectonic level and in the southern part of the section (Tandy Syncline and southern Kulu Valley between Kulu and Mandi) one or two schistosities are developed in the greenschist facies grade rocks (garnet-biotite and biotite schists). These structures and the associated Barrovian type metamorphism are all related to the NE-verging Shikar Beh Nappe. The creation of the NE-verging Shikar Beh Nappe may be explained by the reactivation of a SW dipping listric normal fault of the N Indian flexural passive margin, during the early stages of the Himalayan orogeny. In the second phase, the still hot metamorphic rocks of the Shikar Beh Nappe were folded and thrust towards the SW (mainly along the MBT and the MCT with a displacement in excess of 100 km) onto the cold, low-grade metamorphic rocks of the Larji-Kulu-Rampur Window or, near Mandi, on the non-metamorphic sandstones of the Ganges Molasse (Siwaliks). Sense of shear criteria and a strong NE-SW stretching-lineation indicate that the Crystalline Nappe has been overthrusted towards the SW. Thermometry on synkinematically crystallised garnet-biotite and garnet-hornblende pairs reveals the lower amphibolite facies temperature conditions related to the Crystalline Nappe formation. From the muscovite and biotite Rb-Sr cooling ages, the Shikar Beh Nappe emplacement occurred before 32 Ma and the southwestward thrusting of the Crystalline Nappe began before 21 Ma. Our model involving two opposite directions of thrusting goes against the conventional idea of only one main SW-oriented transport direction in the High Himalayan Crystalline Nappes.