Structure and kinematics of the Siviez-Mischabel nappe in the Mattertal (western Alps of Switzerland) = Structure et cinématique de la nappe de Siviez-Mischabel le long de la vallée de Zermatt (Alpes de Suisse occidentale)

Résumé Cette étude porte sur le flanc inverse de la nappe de Siviez-Mischabel et sur les unités tectoniques sous jacentes (zone de Stalden supérieur et zone Houillère) dans la vallée menant à Zermatt. L'étude structurale du granite permien de Randa (orthogneiss oeillé) permet de mieux comprendre les effets de la déformation alpine sur les roches de socle. La cartographie détaillée de l'orthogneiss et de son encaissant, ainsi que l'étude lithostratigraphique des terrains sédimentaires associés permettent de proposer un schéma structural et cinématique du flanc inverse de la nappe de Siviez-Mischabel et de mieux comprendre ses relations avec les unités tectoniques sous-jacentes. L'analyse structurale de l'orthogneiss de Randa et de son encaissant révèle la superposition de plusieurs phases de déformation ductile. Cet orthogneiss formé sous des conditions métamorphiques du faciès schiste vert possède une forte schistosité alpine avec au moins deux linéations d'extension. La première, L1, orientée NW-SE est associée à la mise en place de la nappe. La seconde, L2, orientée SW-NE, se corrèle au cisaillement ductile du Simplon. La quantification de la déformation au moyen de la méthode de Fry sur les faciès porphyriques donne des ellipses à rapports axiaux compris entre 1.9 et 5.3, en accord avec les valeurs obtenues par d'autres marqueurs {tourmalines étirées, fibres). Les valeurs mesurées parallèlement à L1 ou L2 sont très semblables. La méthode de Fry a nécessité une étude théorique préalable afin de vérifier son applicabilité aux orthogneiss oeillés. La méthode requiert une distribution spatiale homogène et isotrope des marqueurs utilisés. Les tests statistiques effectués ont révélé que les phénocristaux de feldspath alcalin satisfont à cette condition et qu'ils peuvent être utilisés comme marqueur de la déformation au moyen de la méthode de Fry. Les valeurs obtenues révèlent l'importance du cisaillement ductile du Simplon sur la géométrie de la nappe dans la région d'étude. Le levé cartographique a permis d'améliorer la lithostratigraphie de la base de la nappe de Siviez-Mischabel. Trois formations en position renversée peuvent être observées sous les gneiss formant le coeur de la nappe. Ces trois formations forment le coeur du synclinal de St-Niklaus qui connecte la nappe de Siviez-Mischabel à la zone de Stalden supérieur. La datation par U-Pb de zircons détritiques et magmatiques par LA-ICP-MS permet de contraindre l'âge des formations observées (probablement Carbonifère à Trias précoce). Ces données ont des répercussions importantes sur la structure de la nappe dans la région, prouvant l'existence de plusieurs plis avec des séries normales et renversées bien préservées. La définition et la datation de ces formations, ainsi que leur identification dans la-Zone- Houillère avoisinante permettent de mieux comprendre la géométrie initiale et les relations tectoniques des nappes du Pennique moyen dans la vallée de Zermatt. Summary This study investigates the overturned limb of the Siviez-Mischabel nappe and underlying tectonic units (Upper Stalden zone and Houillère zone) in the Mattertal area. Detailed structural analysis in the Permian Randa granite (augen orthogneiss) allows a better understanding of the Alpine deformation effects on basement rocks. Detailed mapping of this orthogneiss and surrounding rocks, and the study of the lithostratigraphy in the related sedimentary horizons allow the proposition of a structural and kinematic model for the overturned limb of the Siviez-Mischabel and to better understand the relations with the underlying tectonic units. The structural analysis of the Randa orthogneiss and surrounding rocks revealed the superposition of several phases of ductile deformation. This orthogneiss formed under greenschist facies metamorphic conditions displays a strong Alpine foliation with at least two stretching lineations. The first lineation, L1, is oriented NW-SE and is related to the nappe emplacement northward. The second one, L2, is related to the Simplon ductile shear zone. Strain estimation using the Fry method has been performed on porphyritic facies of the Randa orthogneiss. The obtained ellipses have axial ratios varying between 1.9 and 5.3, in agreement with strain estimation obtained from other markers (stretched turmalines, fringes). The strain values are very similar if measured parallel to L1 or to L2. A theoretical approach was necessary to verify the relevant application of the Fry method to augen orthogneiss. This method requires that the distribution of the used markers has to be homogeneous and isotropic. Statistical tests have been done and revealed that K-feldspar phenocrysts satisfy these conditions and can be used as strain markers with the Fry method. The obtained strain measurements revealed the importance of the Simplon ductile shear zone on the geometry of the nappe in the studied area. Mapping has improved the lithostratigraphy at the base of the Siviez-Mischabel nappe. Three overturned formations can be observed below the gneisses forming the core of the nappe. These three formations form the St-Niklaus syncline, which connects the Siviez-Mischabel nappe to the underlying Upper Stalden zone. U-Pb dating of detrital and magmatic zircons by LA-ICPMS allowed the age of the observed formations to be constrained (presumably Carboniferous to Early Triassic). This data has critical implications for nappe structure in the region, composed of few recumbent folds with well preserved normal and overturned limbs. The definition and dating of these formations, as well as their identification in the adjacent "Houillère Zone" improve the understanding of the geometry and tectonic relations of the Middle Penninic nappes in the Mattertal.

High-precision dating and origin of synsedimentary volcanism in the Late Carboniferous Salvan-Dorenaz basin (Aiguilles-Rouges Massif, Western Alps)

Late Variscan volcanic activity is documented in the Late Carboniferous Salvan-Dorenaz sedimentary basin and in the neighboring basement units of the Aiguilles-Rouges and Mont-Blanc crystalline massifs (Western Alps). Precise U/Pb isotopic dating, zircon morphology and geochemical analyses indicate that volcanism occurred during short-lived pulses and that coexisting crustal and mantle sources were involved in the production of melts. Volcanic and subvolcanic products were emplaced along major N-S to NNE-SSW transtensional fracture zones, similar to the ones that governed intense basement exhumation and that favored the formation and filling of the Late Carboniferous Salvan-Dorenaz continental basin. In the Aiguilles-Rouges massif, dacitic flows outcropping at the base of the Salvan-Dorenaz basin erupted at 308 +/- 3 Ma; they represent the surface equivalent of the nearby Vallorcine peraluminous granite and associated rhyolitic dykes (311 +/- 17 Ma). In the Mont Blanc massif, calc-alkaline rhyolitic dykes were emplaced simultaneously (307 +/- 2 Ma) at shallow crustal levels, but they derive from deeper magma sources denoting enhanced mantellic activity. Recently identified tuffs and volcaniclastic layers embedded at different levels of the Salvan-Dorenaz stratigraphic record testify a 295 +3/-4 Ma old episode of highly explosive volcanism from distant volcanic centers, possibly located in the Aar-Gotthard massifs (Central Alps). Their zircon typology is highly heterogeneous. documenting wall-rock contamination of the melts and/or admixture of crustal sediments, whereas consistent subpopulations point to high-temperature magmas of deep-seated origin and alkaline affinity. The dated volcanic layers from the Salvan-Dorenaz basin set the beginning of the detrital sedimentation at 308 +/- 3 Ma and constrain the deposition of 1.5-1.7 km thick of elastic sediments within a time span of 10-15 Ma. These results infer minimum, long-term subsidence rates during basin evolution in the order of >0.1 mm/a, while in the surrounding basement units estimated exhumation rates are in the range of 1 mm/a. All dated rocks contain inherited zircon populations about 350, 450 or 600 Ma old.

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.

P-wave velocities of samples from the Penninic of the western Alps along NFP20-west seismic-reflection profiles

Using the transit pulse method, we have determined compressional wave velocities of rocks from various geological units belonging to the Penninic zone along the NFP20-West profiles of the Swiss western Alps. The velocities have been measured at confining pressures up to 400 MPa, along three orthogonal axes defined by the macrostructure of the rocks. The samples analysed show a degree of metamorphism ranging from greenschist to eclogite facies. This collection includes schists, dolomites, gneisses and ophiolitic rocks. The mean velocities range from 5.9 km/s for a quartzitic calcschist to 7.9 km/s for an eclogitic metagabbro. The velocity anisotropy is as high as 20 %. The range of acoustic impedance is wide, from 15 to 27 10(6) kg/m2s. From these measurements, normal incident reflection coefficients for likely rock assemblages within and between geological units were estimated in order to interpret zone of the strong reflections recorded along the seismic profiles. Reflection coefficients as high as 0.17 could be determined.

Finite-strain analysis in orthogneiss of the Gran Paradiso massif, Western Alps, Italy

A finite-strain study in the Gran Paradiso massif of the Italian Western Alps has been carried out to elucidate whether ductile strain shows a relationship to nappe contacts and to shed light on the nature of the subhorizontal foliation typical of the gneiss nappes in the Alps. The Rf/_ and Fry methods used on feldspar porphyroclasts from 143 augengneiss and 11 conglomerate samples of the Gran Paradiso unit (upper tectonic unit of the Gran Paradiso massif), as well as, 9 augengneiss (Erfaulet granite) and 3 quartzite conglomerate samples from the underlying Erfaulet unit (lower unit of the Gran Paradiso massif), and 1 sample from mica schist. Microstructures and thermobarometric data show that feldspar ductility at temperatures >~450°C occurred only during high-pressure metamorphism, when the rocks were underplated beneath the overriding Adriatic plate. Therefore, the finite-strain data can be related to high-pressure metamorphism in the Alpine subduction zone. The augen gneiss was heterogeneously deformed and axial ratios of the strain ellipse in XZ sections range from 2.1 to 69.8. The long axes of the finite-strain ellipsoids trend W/WNW and the short axes are subvertical associated with a subhorizontal foliation. The strain magnitudes do not increase towards the nappe contacts. Geochemical work shows that the accumulation of finite strain was not associated with any significant volume strain. Hence, the data indicate flattening strain type in the Gran Paradiso unit and constrictional strain type in the Erfaulet unit and prove deviations from simple shear. In addition, electron microprobe work was undertaken to determine if the analysed fabrics formed during high-P metamorphism. The chemistry of phengites in the studied samples suggests that deformation and final structural juxtaposition of the Gran Paradiso unit against the Erfaulet took place during high-pressure metamorphism. On the other hand, nappe stacking occurred early during subduction probably by brittle imbrication and that ductile strain was superimposed on and modified the nappe structure during high-pressure underplating in the Alpine subduction zone. The accumulation of ductile strain during underplating was not by simple shear and involved a component of vertical shortening, which caused the subhorizontal foliation in the Gran Paradiso massif. It is concluded that this foliation formed during thrusting of the nappes onto each other suggesting that nappe stacking was associated with vertical shortening. The primary evidence for this interpretation is an attenuated metamorphic section with high-pressure metamorphic rocks of the Gran Paradiso unit juxtaposed against the Erfaulet unit. Therefore, the exhumation during high-pressure metamorphism in the Alpine subduction zone involved a component of vertical shortening, which is responsible for the subhorizontal foliation within the nappes.