A Log-linear model of grain size influence on the geochemistry of sediments

Sediment composition is mainly controlled by the nature of the source rock(s), and chemical (weathering) and physical processes (mechanical crushing, abrasion, hydrodynamic sorting) during alteration and transport. Although the factors controlling these processes are conceptually well understood, detailed quantification of compositional changes induced by a single process are rare, as are examples where the effects of several processes can be distinguished. The present study was designed to characterize the role of mechanical crushing and sorting in the absence of chemical weathering. Twenty sediment samples were taken from Alpine glaciers that erode almost pure granitoid lithologies. For each sample, 11 grain-size fractions from granules to clay (ø grades &-1 to &9) were separated, and each fraction was analysed for its chemical composition.The presence of clear steps in the box-plots of all parts (in adequate ilr and clr scales) against ø is assumed to be explained by typical crystal size ranges for the relevant mineral phases. These scatter plots and the biplot suggest a splitting of the full grain size range into three groups: coarser than ø=4 (comparatively rich in SiO2, Na2O, K2O, Al2O3, and dominated by “felsic” minerals like quartz and feldspar), finer than ø=8 (comparatively rich in TiO2, MnO, MgO, Fe2O3, mostly related to “mafic” sheet silicates like biotite and chlorite), and intermediate grains sizes (4≤ø &8; comparatively rich in P2O5 and CaO, related to apatite, some feldspar).To further test the absence of chemical weathering, the observed compositions were regressed against three explanatory variables: a trend on grain size in ø scale, a step function for ø≥4, and another for ø≥8. The original hypothesis was that the trend could be identified with weathering effects, whereas each step function would highlight those minerals with biggest characteristic size at its lower end. Results suggest that this assumption is reasonable for the step function, but that besides weathering some other factors (different mechanical behavior of minerals) have also an important contribution to the trend.Key words: sediment, geochemistry, grain size, regression, step function

Melt topology and chemistry during partial melting in contact aureoles : an experimental study and field example

This study was initiated to investigate partial melting within the high-grade metamorphic rocks beneath the Little Cottonwood contact aureole (Utah, USA), in order to understand the melt generation, melt migration, and geometry of initial melt distribution on grain scale during crustal anatexis. The emplacement of the Little Cottonwood stock produced a contact aureole in the pelitic host rocks of the Big Cottonwood formation (BC). Metamorphic isogrades in pelitic rocks range form biotite to 2nd sillimanite grade as a function of distance from the contact. Migmatites are restricted to the highest grade and resulted form partial melting of the BC formation rocks. First melt was produced by a combined muscovite/biotite dehydration reaction in the sillimanite + k-feldspar stability field. Melt extraction from the pelites resulted in restites (magnetite + cordierite + alumosilicate ± biotite) surrounded by feldspar enriched quartzite zones. This texture is the result of gradual infiltration of partial melts into the quartzite. Larger, discrete melt accumulation occurred in extensional or transpressional domains such as boudin necks, veins, and ductile shear zones. Melt composition are Si02- rich, crystallized as pegmatites, and apparently were very mobile. They were able to infiltrate the quartzite pervaisivly. These melts are similar in composition to first melts produced in the hydrothermal partial melt experiments at 2kbar between 700 - 800°C on fine grained high metamorphic rocks (andalusite-cordierited-biotite-zone) of the BC formation. The experimental melts are water rich and in disequilibrium with the melting rock. Initial melt composition is heterogeneous for short run duration, reflective a lack of chemical equilibrium between individual melt pools. Rock core scale heterogeneity decreased with time indicating partial homogenization of melt compositions. A simultaneous shift of melt composition to higher silica content with time was observed. The silica content of the melt increased due to local melt/mineral reactions. Melt textures indicate that reactive melt transport is most efficient along grain boundaries rimmed by dissimilar grains. Melt heterogeneity resulted in chemical potential gradients which are major driving forces for initial melt migration and govern melt distribution during initial melting. An additional subject of the thesis is the crystal size distributions of opaque minerals in a fine-grained, high-grade meta-pelite of the Big Cottonwood which were obtained from 3D X-ray tomography (uCT) and 2D thin section analysis. µCT delivers accurate size distributions within a restricted range (~ a factor of 20 in size in a single 3D image), while the absolute number of crystals is difficult to obtain from these sparsely distributed, small crystals on the basis of 2D images. Crystal size distributions obtained from both methods are otherwise similar. - Ce travail de recherche a été entrepris dans le but d'étudier les processus de fusion partielle dans les roches fortement métamorphiques de l'auréole de contact de Little Cottonwood (Utah, USA) et ceci afin de comprendre la génération de liquide de fusion, la migration de ces liquides et la géométrie de la distribution initiale des liquides de fusion à l'échelle du grain durant l'anatexie de la croûte. L'emplacement du petit massif intrusif de Little Cottonwood a produit une auréole de contact dans les roches pélitiques encaissantes appartenant à la Foimation du Big Cottonwood (BC). Les isogrades métamorphiques dans les roches pélitiques varient de l'isograde de la biotite à la deuxième isograde de la sillimanite en fonction de la distance par rapport au massif intrusif. Les migmatites sont restreintes aux zones montrant le plus haut degré métamorphique et résultent de la fusion partielle des roches de la Formation de BC. Le premier liquide de fusion a été produit par la réaction de déshydratation combinée de la muscovite et de la biotite dans le champ de stabilité du feldspath potassique Pt de la sillimanite. L'extraction du liquide de fusion des pélites forme des restites (magnétites + cordiérite + aluminosilicate ± biotite) entourées par des zones de quartzites enrichies en feldspath. Cette texture est le résultat de l'infiltration graduelle du liquide de fusion partielle dans les quartzites. Des accumulations distinctes et plus larges de liquide de fusion ont lieu dans des domaines d'extension ou de transpression tels que les boudins, les veines, et les zones de cisaillement ductile. La composition des liquides de fusion est similaire à celle des liquides pegmatoïdes, et ces liquides sont apparemment très mobiles et capables d'infiltrer les quartzites. Ces liquides de fusion ont la même composition que les premiers liquides produits dans les expériences hydrotheunales de fusion partielle à 2kbar et entre 700-800° C sur les roches finement grenues et hautement métamorphiques (andalousite-cordiérite-biotite zone) de la Formation de BC. Les liquides de fusion obtenus expérimentalement sont riches en eau et sont en déséquilibre avec la roche en fusion. La composition initiale des liquides de fusion est hétérogène pour les expériences de courte durée et reflète l'absence d'équilibre chimique entre les différentes zones d'accumulation des liquides de fusion. L'hétérogénéité à l'échelle du noyau s'estompe avec le temps et témoigne de l'homogénéisation de la composition des liquides de fusion. Par ailleurs, on observe parallèlement un décalage de la composition des liquides vers des compositions plus riches en silice au cours du temps. Le contenu en silice des liquides de fusion évolue vers un liquide pegmatitique en raison des réactions liquides/minéraux. Les textures des liquides de fusion indiquent que le transport des liquides est plus efficace le long des bordures de grains bordés par des grains différents. Aucun changement apparent du volume total n'est visible. L'hétérogénéité des liquides s'accompagne d'un gradient de potentiel chimique qui sert de moteur principal à la migration des liquides et à la distribution des liquides durant la fusion. Un sujet complémentaire de ce travail de thèse réside dans l'étude de la distribution de la taille des cristaux opaques dans les pélites finement grenues et fortement métamorphiques de la Formation de Big Cottonwood. Les distributions de taille ont été obtenues suite à l'analyse d'images 3D acquise par tomographie ainsi que par analyse de lames minces. La microtomographie par rayon X fournit une distribution de taille précise sur une marge restreinte (- un facteur de taille 20 dans une seule image 3D), alors que le nombre absolu de cristaux est difficile à obtenir sur la base d'image 2D en raison de la petite taille et de la faible abondance de ces cristaux. Les distributions de taille obtenues par les deux méthodes sont sinon similaire. Abstact: Chemical differentiation of the primitive Earth was due to melting and separation of melts. Today, melt generation and emplacement is still the dominant process for the growth of the crust. Most granite formation is due to partial melting of the lower crust, followed by transport of magma through the crust to the shallow crust where it is emplaced. Partial melting and melt segregation are essential steps before such a granitic magma can ascent through the crust. The chemistry and physics of partial melting and segregation is complex. Hence detailed studies, in which field observations yield critical information that can be compared to experimental observations, are crucial to the understanding of these fundamental processes that lead and are leading to the chemical stratification of the Earth. The research presented in this thesis is a combined field and experimental study of partial melting of high-grade meta-pelitic rocks of the Little Cottonwood contact aureole (Utah, USA). Contact metamorphic rocks are ideal for textural studies of melt generation, since the relatively short times of the metamorphic event prevents much of the recrystallization which plagues textural studies of lower crustal rocks. The purpose of the study is to characterize melt generation, identify melting reactions, and to constrain melt formation, segregation and migration mechanisms. In parallel an experimental study was undertaken to investigate melt in the high grade meta pelitic rocks, to confirm melt composition, and to compare textures of the partial molten rock cores in the absence of deformation. Results show that a pegmatoidal melt is produced by partial melting of the pelitic rocks. This melt is highly mobile. It is capable of pervasive infiltration of the adjacent quartzite. Infiltration results in rounded quartz grains bordered by a thin feldspar rim. Using computed micro X-ray tomography these melt networks can be imaged. The infiltrated melt leads to rheological weakening and to a decompaction of the solid quartzite. Such decompaction can explain the recent discovery of abundant xenocrysts in many magmas, since it favors the isolation of mineral grains. Pervasive infiltration is apparently strongly influenced by melt viscosity and melt-crystal wetting behavior, both of which depend on the water content of melt and the temperature. In all experiments the first melt is produced on grain boundaries, dominantly by the local minerals. Grain scale heterogeneity of a melting rock leads thus to chemical concentration gradients in the melt, which are the driving force for initial melt migration. Pervasive melt films along grain boundaries leading to an interconnected network are immediately established. The initial chemical heterogeneities in the melt diminish with time. Résumé large public: La différenciation chimique de la Terre primitive est la conséquence de la fusion des roches et de la séparation des liquides qui en résultent. Aujourd'hui, la production de liquide magmatique est toujours le mécanisme dominant pour la croissance de la croûte terrestre. Ainsi la formation de la plupart des granites est un processus qui implique la production de magma par fusion partielle de la croûte inférieure, la migration de ces magmas à travers la croûte et finalement son emplacement dans les niveaux superficielle de la croûte terrestre. Au cours de cette évolution, les processus de fusion partielle et de ségrégation sont des étapes indispensables à l'ascension des granites à travers la croûte. Les conditions physico-chimiques nécessaires à la fusion partielle et à l'extraction de ces liquides sont complexes. C'est pourquoi des études détaillées des processus de fusion partielle sont cruciales pour la compréhension de ces mécanismes fondamentaux responsables de la stratification chimique de la Terre. Parmi ces études, les observations de terrain apportent notamment des informations déterminantes qui peuvent être comparées aux données expérimentales. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire de thèse associe études de terrain et données expérimentales sur la fusion partielle des roches pélitiques de haut degré métamorphiques provenant de l'auréole de contact de Little Cottonwood (Utah, USA). Les roches du métamorphisme de contact sont idéales pour l'étude de la folination de liquide de fusion. En effet, la durée relativement courte de ce type d'événement métamorphique prévient en grande partie la recristallisation qui perturbe les études de texture des roches dans la croûte inférieure. Le but de cette étude est de caractériser la génération des liquides de fusion, d'identifier les réactions responsables de la fusion de ces roches et de contraindre la formation de ces liquides et leur mécanisme de ségrégation et de migration. Parallèlement, des travaux expérimentaux ont été entrepris pour reproduire la fusion partielle de ces roches en laboratoire. Cette étude a été effectuée dans le but de confirmer la composition chimique des liquides, et de comparer les textures obtenues en l'absence de déformation. Les résultats montrent qu'un liquide de fusion pegmatoïde est produit par fusion partielle des roches pélitiques. La grande mobilité de ce liquide permet une infiltration pénétrative dans les quarzites. Ces infiltrations se manifestent par des grains de quartz arrondis entourés par une fine bordure de feldspath. L'utilisation de la tomography à rayons X a permis d'obtenir des images de ce réseau de liquide de fusion. L'infiltration de liquide de fusion entraîne un affaiblissement de la rhéologie de la roche ainsi qu'une décompaction des quartzites massifs. Une telle décompaction peut expliquer la découverte récente d'abondants xénocristaux dans beaucoup de magmas, puisque elle favorise l'isolation des minéraux. L'infiltration pénétrative est apparemment fortement influencée par la viscosité du fluide de fusion et le comportement de la tension superficielle entre les cristaux et le liquide, les deux étant dépendant du contenu en eau dans le liquide de fusion et de la température. Dans toutes les expériences, le premier liquide est produit sur les bordures de grains, principalement par les minéraux locaux. L'hétérogénéité à l'échelle des grains d'une roche en fusion conduit donc à un gradient de concentration chimique dans le liquide, qui sert de moteur à l'initiation de la migration du liquide. Des fines couches de liquide de fusion le long de bordures de grains formant un réseau enchevêtré s'établit immédiatement. Les hétérogénéités chimiques initiales dans le liquide s'estompent avec le temps.

The hypogene iron oxide copper-gold mineralization in the Mantoverde District, Northern Chile

The Mantoverde iron oxide copper-gold (IOCC) district, northern Chile, is known for its Cu production from supergene ores. Recently, exploration outlined an additional hypogene ore resource of 440 Mt with 0.56 percent Cu, and 0.12 g/t An. The hypogene sulfide mineralization occurs mainly as chalcopyrite and pyrite, typically in specularite or magnetite-cemented breccias and associated stockworks. The host rocks underwent variably intense K feldspar alteration, chloritization, sericitization, silicification, and/or carbonatization. A district scale Na(-Ca) alteration is absent. The IOCC mineralization in the district shows a strong tectonic control by northwest- to north-northwest-trending brittle structures. Large Cu sulfide-rich veins or Cu sulfide-cemented breccias are absent. Therefore, head grades of 4 percent Cu are an exception. There is a positive correlation between Cu and An grades. Gold is probably contained mostly in chalcopyrite and pyrite. Elevated concentrations of light rare-earth elements (LREE) occur locally but are attributed to redistribution of LREE within the deposits rather than to derivation from external sources. The Cu-Au ores in the Mantoverde district are low in and have relatively low contents in heavy metals that are potentially hazardous to the environment, such as As (avg 14 ppm), Hg (<5 ppm), or Cd (<0.2 ppm). The sulfur isotope ratios of chalcopyrite from the IOCC deposits lie between -5.6 and 8.9 per mil delta(34)S(VCDT). They show systematic variations within the district, which are interpreted to reflect relative distance to inferred fluid conduits and the level of deposition within the hydrothermal system. Most initial (87)Sr/(86)Sr values of altered volcanic rocks and hydrothermal calcite from the Mantoverde district are between 0.7031 and 0.7060 and are similar to those of the igneous rocks of the region. Lead isotope ratios of chalcopyrite are consistent with Pb (and by inference Cu) derived from Early Cretaceous magmatism. The sulfur, strontium, and lead isotope data of chalcopyrite, calcite gangue, or altered host rocks, respectively, are compatible with a genetic model that involves cooling of metal and sulfur-bearing magmatic-hydrothermal fluids that mix with meteoric waters or seawater at relatively shallow crustal levels. An additional exotic sulfur input is likely, though not required, for the copper mineralization. Apart from the IOCC. deposits, there are a number of smaller magnetite(-apatite) bodies in the district. These are geologically similar to the Cu-Au-bearing magnetite bodies, but are related to splays of the north-south-trending Atacama fault zone and differ in alteration and texture.

U-Pb isotopic dating of fluid infiltration and metasomatism during Dalradian regional metamorphism in Connemara, western Ireland

A metasomatic diopside rock occurs at the top of the dolomitic Connemara Marble Formation of western Ireland and contains titanite and K-feldspar in addition to around 90% diopside (X(Mg) = 0.90-0.97). U-Pb isotopic measurements on this mineral assemblage show that the titanite is both unusually uranium-rich and isotopically concordant, with the result that a precise U-Pb age of 478 +/- 2.5 Ma can be determined. The age is identical within error to a less precise Rb-Sr age of diopside-K-feldspar of 483 +/- 6 Ma. Petrological evidence indicates that the assemblage crystallized at c. 620-degrees-C close to or below the closure temperature of titanite. The age thus provides a precise estimate of the time of metamorphism; this age is 11 +/- 3 Ma younger than the 490 Ma age for nearby gabbroic plutons which has previously been used to constrain the peak metamorphic age. This difference accords well with geological evidence that the gabbros were emplaced prior to the metamorphic peak. Analysis of minerals with high closure temperature from assemblages whose crystallization is unambiguously associated with a specific episode of fluid infiltration at the peak of metamorphism provides the basis for a new approach to dating metamorphism. The success of this approach is demonstrated by the results from Connemara.

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.

Geometry, petrology and growth of a shallow crustal laccolith : the Torres del Paine Mafic Complex (Patagonia)

1. ABSTRACTS - RÉSUMÉSSCIENTIFIC ABSTRACT - ENGLISH VERSIONGeometry, petrology and growth of a shallow crustal laccolith: the Torres del Paine Mafi c Complex (Patagonia)The Torres del Paine intrusive complex (TPIC) is a composite mafic-granitic intrusion, ~70km2, belonging to a chain of isolated Miocene plutons in southern Patagonia. Their position is intermediate between the Mesozoic-Cenozoic calc-alkaline subduction related Patagonian batholith in the West and the late Cenozoic alkaline basaltic back-arc related plateau lavas in the East. The Torres del Paine complex formed during an important reconfiguration of the Patagonian geodynamic setting, with a migration of magmatism from the arc to the back-arc, possibly related to the Chile ridge subductionThe complex intruded the flysch of the Cretaceous Cerro Toro and Punta Barrosa Formations during the Miocene, creating a well-defined narrow contact aureole of 200-400 m width.In its eastern part, the Torres del Paine intrusive complex is a laccolith, composed of a succession of hornblende-gabbro to diorite sills at its base, with a total thickness of ~250m, showing brittle contacts with the overlying granitic sills, that form spectacular cliffs of more than 1000m. This laccolith is connected, in the western part, to its feeding system, with vertical alternating sheets of layered gabbronorite and Hbl-gabbro, surrounded and percolated by diorites. ID-TIMS U-Pb on zircons on feeder zone (FZ) gab- bros yield 12.593±0.009Ma and 12.587±0.009Ma, which is identifcal within error to the oldest granite dated so far by Michel et al. (2008). In contrast, the laccolith mafic complex is younger than than the youngest granite (12.50±0.02Ma), and has been emplaced from 12.472±0.009Ma to 12.431 ±0.006Ma, by under-accretion beneath the youngest granite at the interface with previously emplaced mafic sills.The gabbronorite crystallization sequence in the feeder zone is dominated by olivine, plagioclase, clinopyroxene and orthopyroxene, while amphibole forms late interstitial crystals. The crystallization sequence is identical in Hornblende-gabbro from the feeder zone, with higher modal hornblende. Gabbronorite and Hornblende-gabbro both display distinct Eu and Sr positive anomalies. In the laccolith, a lower Hornblende-gabbro crystallized in sills and evolved to a high alkali shoshonitic series. The Al203, Ti02, Na20, K20, Ba and Sr composition of these gabbros is highly variable and increases up to ~50wt% Si02. The lower hornblende-gabbro is characterized by kaersutite anhedral cores with inclusions of olivine, clino- and orthopyroxene and rare apatite and An70 plagioclase. Trace element modelling indicates that hornblende and clinopyroxene are in equilibrium with a liquid whose composition is similar to late basaltic trachyandesitic dikes that cut the complex. The matrix in the lower hornblende gabbro is composed of normally zoned oligoclase, Magnesio-hornblende, biotite, ilmenite and rare quartz and potassium feldspar. This assemblage crystallized in-situ from a Ba and Sr-depleted melts. In contrast, the upper Hbl-gabbro is high-K calc-alkaline. Poikilitic pargasite cores have inclusions of euhedral An70 plagioclase inclusions, and contain occasionally clinopyroxene, olivine and orthopyroxene. The matrix composition is identical to the lower hornblende-gabbro and similar to the diorite. Diorite bulk rock compositions show the same mineralogy but different modal proportions relative to hornblende-gabbrosThe Torres del Paine Intrusive Complex isotopic composition is 87Sr/86Sr=0.704, 143Nd/144Nd=0.5127, 206Pb/204Pb=18.70 and 207Pb/204Pb=15.65. Differentiated dioritic and granitic units may be linked to the gabbroic cumulates series, with 20-50% trapped interstitial melt, through fractionation of olivine-bearing gabbronorite or hornblende-gabbro fractionation The relative homogeneity of the isotopic compositions indicate that only small amounts of assimilation occurred. Two-pyroxenes thermometry, clinopyroxene barometry and amphibole-plagioclase thermometry was used to estimate pressure and temperature conditions. The early fractionation of ultramafic cumulates occurs at mid to lower crustal conditions, at temperatures exceeding 900°C. In contrast, the TPIC emplacement conditions have been estimated to ~0.7±0.5kbar and 790±60°C.Based on field and microtextural observations and geochemical modelling, fractionation of basaltic-trachyandesitic liquids at intermediate to lower crustal levels, has led to the formation of the Torres del Paine granites. Repetitive replenishment of basaltic trachy- andesitic liquid in crustal reservoirs led to mixed magmas that will ascend via the feeder zone, and crystallize into a laccolith, in the form of successive dioritic and gabbroic sills. Dynamic fractionation during emplacement concentrated hornblende rich cumulates in the center of individual sills. Variable degrees.of post-emplacement compaction led to the expulsion of felsic liquids that preferentially concentrated at the top of the sills. Incremental sills amalgamation of the entire Torres del Paine Intrusive Complex has lasted for ~160ka.RESUME SCIENTIFIQUE - VERSION FRANÇAISEGéométrie, pétrologie et croissance d'un laccolite peu profond : Le complexe ma- fique du Torres del Paine (Patagonie)Le Complexe Intrusif du Torres del Paine (CITP) est une intrusion bimodale, d'environ 70km2, appartenant à une chaîne de plutons Miocènes isolés, dans le sud de la Patago-nie. Leur position est intermédiaire entre le batholite patagonien calco-alcalin, à l'Ouest, mis en place au Mesozoïque-Cenozoïque dans un contexte de subduction, et les basal-tes andésitiques et trachybasaltes alcalins de plateau, plus jeune, à l'Est, lié à l'ouverture d'un arrière-arc.A son extrémité Est, le CITP est une succession de sills de gabbro à Hbl et de diorite, sur une épaisseur de ~250m, avec des évidences de mélange. Les contacts avec les sills de granite au-dessus, formant des parois de plus de 1000m, sont cassants. Ce laccolite est connecté, dans sa partie Ouest, à une zone d'alimentation, avec des intrusions sub-ver- ticales de gabbronorite litée et de gabbro à Hbl, en alternance. Celles-ci sont traversées et entourées par des diorites. Les zircons des gabbros de la zone d'alimentation, datés par ID-TIMS, ont cristallisés à 12.593±0.009Ma et 12.587±0.009Ma, ce qui correspond au plus vieux granite daté à ce jour par Michel et al. (2008). A l'inverse, les roches manques du laccolite se sont mises en place entre 12.472±0.009Ma et 12.431 ±0.006Ma, par sous-plaquage successifs à l'interface avec le granite le plus jeune daté à ce jour (12.50±0.02Ma).La séquence de cristallisation des gabbronorites est dominée par Ol, Plg, Cpx et Opx, alors que la Hbl est un cristal interstitiel. Elle est identique dans les gabbros à Hbl de la zone d'alimentation, avec ~30%vol de Hbl. Les gabbros de la zone d'alimentation montrent des anomalies positives en Eu et Sr distinctes. Dans le laccolite, le gabbro à Hbl inférieur évolue le long d'une série shoshonitique, riche en éléments incompatibles. Sa concentration en Al203, Ti02, Na20, K20, Ba et Sr est très variable et augmente rapide-ment jusqu'à ~50wt% Si02. Il est caractérisé par la présence de coeurs résorbés de kaer- sutite, entourés de Bt, et contenant des inclusions d'OI, Cpx et Opx, ou alors d'Ap et de rares Plg (An70). Hbl et Cpx ont cristallisés à partir d'un liquide de composition similaire aux dykes trachy-andesite basaltique du CITP. La matrice, cristallisée in-situ à partir d'un liquide pauvre en Ba et Sr, est composée d'oligoclase zoné de façon simple, de Mg-Hbl, Bt, llm ainsi que de rares Qtz et KF. Le gabbro à Hbl supérieur, quant à lui, appartient à une suite chimique calco-alcaline riche en K. Des coeurs poecilitiques de pargasite con-tiennent de nombreuses inclusions de Plg (An70) automorphe, ainsi que des Ol, Cpx et Opx. La composition de la matrice est identique à celle des gabbros à Hbl inférieurs et toutes deux sont similaires à la minéralogie des diorites. Les analyses sur roches totales de diorites montrent la même variabilité que celles de gabbros à Hbl, mais avec une ten-eur en Si02 plus élevée.La composition isotopique des liquides primitifs du CITP a été mesurée à 87Sr/86Sr=0.704, 143Nd/144Nd=0.5127, 206Pb/204Pb=18.70 et 207Pb/204Pb=15.65. Les granites et diorites différenciés peuvent être reliés à des cumulais gabbronoritiques (F=0.74 pour les granites et F=1-0.5 pour les diorites) et gabbroïques à Hbl (fractionnement supplémentaire pour les granites, avec F=0.3). La cristallisation de 20 à 50%vol de liquide interstitiel piégé dans les gabbros du CITP explique leur signature géochimique. Seules de faibles quantités de croûte continentale ont été assimilées. La température et la pression de fractionnement ont été estimées, sur la base des thermobaromètres Opx-Cpx, Hbl-Plg et Cpx, à plus de 900°C et une profondeur correspondant à la croûte inférieure-moyenne. A l'inverse, les conditions de cristallisation de la matrice des gabbros et diorites du laccolite ont été estimées à 790±60°C et ~0.7±0.5kbar.Je propose que les liquides felsiques du CITP se soient formés par cristallisation frac-tionnée en profondeur des assemblages minéralogiques observés dans les gabbros du CITP, à partir d'un liquide trachy-andesite basaltique. La percolation de magma dans les cristaux accumulés permet la remontée du mélange à travers la zone d'alimentation, vers le laccolite, où des sills se mettent en place successivement. L'amalgamation de sills dans le CITP a duré ~160ka.Le CITP s'est formé durant une reconfiguration importante du contexte géodynamique en Patagonie, avec un changement du magmatisme d'arc vers un volcanisme d'arrière- arc. Ce changement est certainement lié à la subduction de la ride du Chili.RESUME GRAND PUBLIC - VERSION FRANÇAISEGéométrie, pétrologie et croissance d'une chambre magmatique peu profonde : Le complexe mafique du Torres del Paine (Patagonie)Le pourtour de l'Océan Pacifique est caractérisé par une zone de convergence de plaques tectoniques, appelée zone de subduction, avec le plongement de croûte océa-nique sous les Andes dans le cas de la Patagonie. De nombreux volcans y sont associés, formant la ceinture de feu. Mais seuls quelques pourcents de tout le magma traversant la croûte terrestre parviennent à la surface et la majeure partie cristallise en profondeur, dans des chambres magmatiques. Quelles est leur forme, croissance, cristallisation et durée de vie ? Le complexe magmatique du Torres del Paine représente l'un des meilleurs endroits au monde pour répondre à ces questions. Il se situe au sud de la Patagonie, formant un massif de 70km2. Des réponses peuvent être trouvées à différentes échelles, variant de la montagne à des minéraux de quelques 1000ème de millimètres.Il est possible de distinguer trois types de roches : des gabbros et des diorites sur une épaisseur de 250m, surmontées par des parois de granite de plus de 1000m. Les contacts entre ces roches sont tous horizontaux. Entre granites et gabbro-diorite, le contact est net, indiquant que le second magma s'est mis en place au contact avec un magma plus ancien, totalement solidifié. Entre gabbros et diorites, les contacts sont diffus, souvent non-linéaires, indiquant à l'inverse la mise en contact de magmas encore partiellement liquides. Dans la partie Ouest de cette chambre magmatique, les contacts entre roches sont verticaux. Il s'agit certainement du lieu de remplissage de la chambre magmatique.Lors du refroidissement d'un magma, différents cristaux vont se former. Leur stabilité et leur composition varient en fonction de la pression, de la température ou de la chimie du magma. La séquence de cristallisation peut être définie sur la base d'observations microscopiques et de la composition chimique des minéraux. Différents gabbros sont ainsi distingués : le gabbro à la base est riche en hornblende, d'une taille de ~5mm, sans inclusion de plagioclase mais avec des cristaux d'olivine, clinopyroxene et orthopyroxene inclus ; le gabbro supérieur est lui-aussi riche en hornblende (~5mm), avec les mêmes inclusions additionnées de plagioclase. Ces cristaux se sont formés à une température supérieure à 900°C et une profondeur correspondant à la croûte moyenne ou inférieure. Les minéraux plus fin, se trouvant hors des cristaux de hornblende des deux gabbros, sont similaires à ceux des diorites : plagioclase, biotite, hornblende, apatite, quartz et feldspath alcalin. Ces minéraux sont caractéristiques des granites. Ils ont cristallisé à ~790°C et ~2km de profondeur.La cristallisation des minéraux et leur extraction du magma par gravité provoque un changement progressif de la composition de ce dernier. Ainsi, après extraction d'olivine et d'orthopyroxene riches en Mg, de clinopyroxene riche en Ca, de plagioclase riche en Ca et Al et d'hornblende riche en Ca, Al et Mg, le liquide final sera appauvri en ces élé-ments. Un lien peut ainsi être proposé entre les diorites dont la composition est proche du liquide de départ, les granites dont la composition est similaire au liquide final, et les gabbros dont la minéralogie correspond aux minéraux extraits.L'utilisation de zircons, un minéral riche en U dont les atomes se transforment en Pb par décomposition radioactive au cours de millions d'années, permet de dater le refroidissement des roches qui les contiennent. Ainsi, il a été observé que les roches de la zone d'alimentation, à l'Ouest du complexe magmatique, ont cristallisés il y a 12.59±0.01 Ma, en même temps que les granites les plus vieux, se trouvant au sommet de la chambre magmatique, datés par Michel et al. (2008). Les deux roches pourraient donc avoir la même origine. A l'inverse, les gabbros et diorites de la chambre magmatique ont cristallisé entre 12.47±0.01Ma et 12.43±0.01Ma, les roches les plus vieilles étant à la base.En comparant la composition des roches du Torres del Paine avec celles d'autres en-tités géologiques de Patagonie, les causes du magmatisme peuvent être recherchées. A l'Ouest, on trouve en effet des intrusions granitiques, plus anciennes, caractéristiques de zones de convergence de plaque tectonique, alors qu'à l'Est, des laves basaltiques plus jeunes sont caractéristiques d'une dynamique d'extension. Sur la base des compositions chimiques des roches de ces différentes entités, l'évolution progressive de l'une à l'autre a pu être démontrée. Elle est certainement due à l'arrivée d'une dorsale océanique (zone d'extension crustale et de création de croûte océanique par la remontée de magma) dans la zone de subduction, le long des Andes.Je propose que, dans un premier temps, des magmas granitiques sont remontés dans la chambre magmatique, laissant d'importants volumes de cristaux dans la croûte pro-fonde. Dans un second épisode, les cristaux formés en profondeur ont été transportés à travers la croûte continentale, suite au mélange avec un nouveau magma injecté. Ces magmas chargés de cristaux ont traversé la zone d'alimentation avant de s'injecter dans la chambre magmatique. Différents puises ont été distingués, injectés dans la chambre magmatique du sommet à la base concernant les granites, puis à la base du granite le plus jeune pour les gabbros et diorites. Le complexe magmatique du Torres del Paine s'est construit sur une période totale de 160'000±20'000 ans.

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.

Geochemistry and 40Ar/39Ar geochronology of pseudotachylyte associated with UHP whiteschists from the Dora Maira massif, Italy

In situ UV-Iaser ablation Ar-40/(39) Ar geochronological and geochemical data, together with rock and mineral compositional data, have been determined from pseudotachylyte and surrounding mylonitic gneiss associated with the UHP whiteschists of the Dora Maira Massif, Italy. Several generations of fresh pseudotachylyte occur as irregular veins up to a few cur thick both parallel and at high angles to the foliation. Whole rock XRF data collected from representative lithologies of mylonitic gneiss are uniformly consistent with a mildly alkalic granitic protolith. Minimal compositional variation is observed between the pseudotachylyte and its surrounding mylonitic gneiss. The pseudotachylyte contains newly crystallized grains of biotite and K-feldspar in a matrix of glass with partially fused grains of quartz, zircon, apatite, and titanite. Electron microprobe analyses of the glass show significant compositional variation that is probably strongly influenced by micrometer-scale changes in mineralogy. UV-Iaser ablation ICP-MS traverses across the mylonitic gneiss-pseudotachylyte contact are consistent with cataclastic communition of REE carriers such as epidote, monazite, allanite, zircon, and apatite before melting as an efficient mechanism of REE homogenization in the pseudotachylyte. The 40Ar/39Ar data from one band of pseudotachylyte indicate formation at 20.1 +/- 0.5 Ma, when the mylonitic gneisses were already in a near surface position. The variable effects of top-to-the-west shear deformation within outcrops of the coesite-bearing unit are reflected in localized zones of protomylonite, cataclasite, ultracataclasite, and pseudotachylyte. Preservation of several generations of pseudotachylyte suggests that seismic events may have played a significant role in triggering late unroofing of the UHP rocks. It is speculated that deeper crustal seismic events potentially played a role in the unroofing of the UHP rocks at earlier stages in their exhumation history. (c) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Alkali-calcic and alkaline post-orogenic (PO) granite magmatism: petrologic constraints and geodynamic settings

The end of an orogenic Wilson cycle corresponds to amalgamation of terranes into a Pangaea and is marked by widespread magmatism dominated by granitoids. The post-collision event starts with magmatic processes still influenced by subducted crustal materials. The dominantly calc-alkaline suites show a shift from normal to high-K to very high-K associations. Source regions are composed of depleted and later enriched orogenic subcontinental lithospheric mantle, affected by dehydration melting and generating more and more K- and LILE-rich magmas. In the vicinity of intra-crustal magma chambers, anatexis by incongruent melting of hydrous minerals may generate peraluminous granitoids bearing mafic enclaves. The post-collision event ends with emplacement of bimodal post-orogenic (PO) suites along transcurrent fault zones. Two suites are defined, (i) the alkali-calcic monzonite-monzogranite-syenogranite-alkali feldspar granite association characterised by [biotite + plagioclase] fractionation and moderate [LILE + HFSE] enrichments and (ii) the alkaline monzonite-syenite-alkali feldspar granite association characterised by [amphibole + alkali feldspar] fractionation and displaying two evolutionary trends, one peralkaline with sodic mafic mineralogy and higher enrichments in HFSE than in LILE, and the other aluminous biotite-bearing marked by HFSE depletion relative to LILE due to accessory mineral precipitation. Alkali-calcic and alkaline suites differ essentially in the amounts of water present within intra-crustal magma chambers, promoting crystallisation of various mineral assemblages. The ultimate enriched and not depleted mantle source is identical for the two PO suites. The more primitive LILE and HFSE-rich source rapidly replaces the older orogenic mantle source during lithosphere delamination and becomes progressively the thermal boundary layer of the new lithosphere. Present rock compositions are a mixture of major mantle contribution and various crustal components carried by F-rich aqueous fluids circulating within convective cells created around magma chambers. In favourable areas, PO suites pre-date a new orogenic Wilson cycle. (C) 1998 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

Fluid-rock-strain feedbacks in extensional shear zones

La présence de fluide météorique synchrone à l'activité du détachement (Farmin, 2003 ; Mulch et al., 2007 ; Gébelin et al., 2011), implique que les zones de cisaillement sont des systèmes ouverts avec des cellules de convections à l'échelle crustale et un intense gradient géothermique au sein du détachement (Morrison et Anderson, 1998, Gottardi et al., 2011). De plus, les réactions métamorphiques liées à des infiltrations fluides dans les zones de cisaillement extensionnel peuvent influencer les paramètres rhéologiques du système (White and Knipe, 1978), et impliquer la localisation de la déformation dans la croûte. Dans ce manuscrit, deux zones de cisaillement infiltrées par des fluides météoriques sont étudiées, l'une étant largement quartzitique, et l'autre de nature granitique ; les relations entre déformation, fluides, et roches s'appuient sur des approches structurales, microstructurales, chimiques et isotopiques. L'étude du détachement du Columbia river (WA, USA) met en évidence que la déformation mylonitique se développe en un million d'années. La phase de cisaillement principal s'effectue à 365± 30°C d'après les compositions isotopiques en oxygène du quartz et de la muscovite. Ces minéraux atteignent l'équilibre isotopique lors de leur recristallisation dynamique contemporaine à la déformation. La zone de cisaillement enregistre une baisse de température, remplaçant le mécanisme de glissement par dislocation par celui de dissolution- précipitation dans les derniers stades de l'activité du détachement. La dynamique de circulation fluide bascule d'une circulation pervasive à chenalisée, ce qui engendre localement la rupture des équilibres d'échange isotopiques. La zone de cisaillement de Bitterroot (MT, USA) présente une zone mylonitique de 600m d'épaisseur, progressant des protomylonites aux ultramylonites. L'intensité de la localisation de la déformation se reflète directement sur l'hydratation des feldspaths, réaction métamorphique majeure dite de « rock softening ». Une étude sur roche totale indique des transferts de masse latéraux au sein des mylonites, et d'importantes pertes de volume dans les ultramylonites. La composition isotopique en hydrogène des phyllosilicates met en évidence la présence (1) d'une source magmatique/métamorphique originelle, caractérisée par les granodiorites ayant conservé leur foliation magmatique, jusqu'aux protomylonites, et (2) une source météorique qui tamponne les valeurs des phyllosilicates des fabriques mylonitiques jusqu'aux veines de quartz non-déformées. Les compositions isotopiques en oxygène des minéraux illustrent le tamponnement de la composition du fluide météorique par l'encaissant. Ce phénomène cesse lors du processus de chloritisation de la biotite, puisque les valeurs des chlorites sont extrêmement négatives (-10 per mil). La thermométrie isotopique indique une température d'équilibre isotopique de la granodiorite entre 600-500°C, entre 500-300°C dans les mylonites, et entre 300 et 200°C dans les fabriques cassantes (cataclasites et veines de quartz). Basé sur les résultats issus de ce travail, nous proposons un modèle général d'interactions fluide-roches-déformation dans les zones de détachements infiltrées par des fluides météoriques. Les zones de détachements évoluent rapidement (en quelques millions d'années) au travers de la transition fragile-ductile ; celle-ci étant partiellement contrôlée par l'effet thermique des circulations de fluide météoriques. Les systèmes de détachements sont des lieux où la déformation et les circulations fluides sont couplées ; évoluant rapidement vers une localisation de la déformation, et de ce fait, une exhumation efficace. - The presence of meteoric fluids synchronous with the activity of extensional detachment zones (Famin, 2004; Mulch et al., 2007; Gébelin et al., 2011) implies that extensional systems involve fluid convection at a crustal scale, which results in high geothermal gradients within active detachment zones (Morrison and Anderson, 1998, Gottardi et al., 2011). In addition, the metamorphic reactions related to fluid infiltration in extensional shear zones can influence the rheology of the system (White and Knipe, 1978) and ultimately how strain localizes in the crust. In this thesis, two shear zones that were permeated by meteoric fluids are studied, one quartzite-dominated, and the other of granitic composition; the relations between strain, fluid, and evolving rock composition are addressed using structural, microstructural, and chemical/isotopic measurements. The study of the Columbia River detachment that bounds the Kettle core complex (Washington, USA) demonstrates that the mylonitic fabrics in the 100 m thick quartzite- dominated detachment footwall developed within one million years. The main shearing stage occurred at 365 ± 30°C when oxygen isotopes of quartz and muscovite equilibrated owing to coeval deformation and dynamic recrystallization of these minerals. The detachment shear zone records a decrease in temperature, and dislocation creep during detachment shearing gave way to dissolution-precipitation and fracturing in the later stages of detachment activity. Fluid flow switched from pervasive to channelized, leading to isotopic disequilibrium between different minerals. The Bitterroot shear zone detachment (Montana, USA) developed a 600 m thick mylonite zone, with well-developed transitions from protomylonite to ultramylonite. The localization of deformation relates directly to the intensity of feldspar hydration, a major rock- softening metamorphic reaction. Bulk-rock analyses of the mylonitic series indicate lateral mass transfer in the mylonite (no volume change), and significant volume loss in ultramylonite. The hydrogen isotope composition of phyllosilicates shows (1) the presence of an initial magmatic/metamorphic source characterized by the granodiorite in which a magmatic, and gneissic (protomylonite) foliation developed, and (2) a meteoric source that buffers the values of phyllosilicates in mylonite, ultramylonite, cataclasite, and deformed and undeformed quartz veins. The mineral oxygen isotope compositions were buffered by the host-rock compositions until chloritization of biotite started; the chlorite oxygen isotope values are negative (-10 per mil). Isotope thermometry indicates a temperature of isotopic equilibrium of the granodiorite between 600-500°C, between 500-300°C in the mylonite, and between 300 and 200°C for brittle fabrics (cataclasite and quartz veins). Results from this work suggest a general model for fluid-rock-strain feedbacks in detachment systems that are permeated by meteoric fluids. Phyllosilicates have preserved in their hydrogen isotope values evidence for the interaction between rock and meteoric fluids during mylonite development. Fluid flow generates mass transfer along the tectonic anisotropy, and mylonites do not undergo significant volume change, except locally in ultramylonite zones. Hydration of detachment shear zones attends mechanical grain size reduction and enhances strain softening and localization. Self-exhuming detachment shear zones evolve rapidly (a few million years) through the transition from ductile to brittle, which is partly controlled by the thermal effect of circulating surface fluids. Detachment systems are zones in the crust where strain and fluid flow are coupled; these systems. evolve rapidly toward strain localization and therefore efficient exhumation.

Clay mineral and geochemical composition of Cenozoic paleosol in the Eastern Alps (Austria)

Red clays from Cenozoic palaeosols of the Eastern Alps record periods of stagnating uplift and decrease of relief. Tropical to sub-tropical weathering of a crystalline substratum formed dominant or abundant kaolinite, reflecting Paleogene and Early Miocene conditions, respectively. Abundant illite and chlorite, but a lack of kaolinite in red clays on the plateaus of the Northern Calcareous Alps reflects feldspar-poor compositons of the Cenozoic siliciclastic cover. The presence of high Ba/Sr and Rb/Sr ratios and vermiculite in these red clays indicates high precipitation and temperate weathering conditions, respectively, during the Late Miocene and Early Pilocene on the uplifting plateaus of the Northern Calcareous Alps.

The Gronnedal-Ika carbonatite-syenite complex, South Greenland: Carbonatite formation by liquid immiscibility

The Gronnedal-Ika complex is dominated by layered nepheline syenites which were intruded by a xenolithic syenite and a central plug of calcite to calcite-siderite carbonatite. Aegirine-augite, alkali feldspar and nepheline are the major mineral phases in the syenites, along with rare calcite. Temperatures of 680-910degreesC and silica activities of 0.28-0.43 were determined for the crystallization of the syenites on the basis of mineral equilibria. Oxygen fugacities, estimated using titanomagnetite compositions, were between 2 and 5 log units above the fayalite-magnetite-quartz buffer during the magmatic stage. Chondrite-normalized REE patterns of magmatic calcite in both carbonatites and syenites are characterized by REE enrichment (La-CN-Yb-CN = 10-70). Calcite from the carbonatites has higher Ba (similar to5490 ppm) and lower HREE concentrations than calcite from the syenites (54-106 ppm Ba). This is consistent with the behavior of these elements during separation of immiscible silicate-carbonate liquid pairs. epsilon(Nd)(T = 1.30 Ga) values of clinopyroxenes from the syenites vary between +1.8 and +2.8, and epsilon(Nd)(T) values of whole-rock carbonatites range from +2.4 to +2.8. Calcite from the carbonatites has delta(18)O values of 7.8 to 8.6parts per thousand and delta(13)C values of -3.9 to -4.6parts per thousand. delta(18)O values of clinopyroxene separates from the nepheline syenites range between 4.2 and 4.9parts per thousand. The average oxygen isotopic composition of the nepheline syenitic melt was calculated based on known rock-water and mineral-water isotope fractionation to be 5.7 +/- 0.4parts per thousand. Nd and C-O isotope compositions are typical for mantle-derived rocks and do not indicate significant crustal assimilation for either syenite or carbonatite magmas. The difference in delta(18)O between calculated syenitic melts and carbonatites, and the overlap in epsilon(Nd) values between carbonatites and syenites, are consistent with derivation of the carbonatites from the syenites via liquid immiscibility.

The Upper Oligocene of Montgat (Catalan Coastal Ranges, Spain): new age constraints to the western Mediterranean Basin opening

The Oligocene deposits of Montgat are integrated in a small outcrop made up of Cenozoic and Mesozoic rocks located in the Garraf-Montnegre horst, close to the major Barcelona fault. The Oligocene of Montgat consists of detrital sediments of continental origin mainly deposited in alluvial fan environments; these deposits are folded and affected by thrusts and strike-slip faults. They can be divided in two lithostratigraphic units separated by a minor southwest-directed thrust: (i) the Turó de Montgat Unit composed of litharenites and lithorudites with high contents of quartz, feldspar, plutonic and limestone rock fragments; and (ii) the Pla de la Concòrdia Unit composed of calcilitharenites and calcilithorudites with high contents of dolosparite and dolomicrite rock fragments. The petrological composition of both units indicates that sediments were derived from the erosion of Triassic (Buntsandstein, Muschelkalk and Keuper facies), Jurassic and Lower Cretaceous rocks (Barremian to Aptian in age). Stratigraphic and petrological data suggest that these units correspond to two coalescent alluvial fans with a source area located northwestwards in the adjoining Collserola and Montnegre inner areas. Micromammal fossils (Archaeomys sp.) found in a mudstone layer of the Pla de la Concòrdia Unit assign a Chattian age (Late Oligocene) to the studied materials. Thus, the Montgat deposits are the youngest dated deposits affected by the contractional deformation that led to the development of the Catalan Intraplate Chain. Taking into account that the oldest syn-rift deposits in the Catalan Coastal Ranges are Aquitanian in age, this allows to precise that the change from a compressive to an extensional regime in this area took place during latest Oligocene-earliest Aquitanian times. This age indicates that the onset of crustal extension related to the opening of the western Mediterranean Basin started in southern France during latest Eocene-early Oligocene and propagated southwestward, affecting the Catalan Coastal Ranges and the northeastern part of the Valencia trough during the latest Chattian-earliest Aquitanian times.

The Upper Oligocene of Montgat (Catalan Coastal Ranges, Spain): new age constraints to the western Mediterranean Basin opening

The Oligocene deposits of Montgat are integrated in a small outcrop made up of Cenozoic and Mesozoic rocks located in the Garraf-Montnegre horst, close to the major Barcelona fault. The Oligocene of Montgat consists of detrital sediments of continental origin mainly deposited in alluvial fan environments; these deposits are folded and affected by thrusts and strike-slip faults. They can be divided in two lithostratigraphic units separated by a minor southwest-directed thrust: (i) the Turó de Montgat Unit composed of litharenites and lithorudites with high contents of quartz, feldspar, plutonic and limestone rock fragments; and (ii) the Pla de la Concòrdia Unit composed of calcilitharenites and calcilithorudites with high contents of dolosparite and dolomicrite rock fragments. The petrological composition of both units indicates that sediments were derived from the erosion of Triassic (Buntsandstein, Muschelkalk and Keuper facies), Jurassic and Lower Cretaceous rocks (Barremian to Aptian in age). Stratigraphic and petrological data suggest that these units correspond to two coalescent alluvial fans with a source area located northwestwards in the adjoining Collserola and Montnegre inner areas. Micromammal fossils (Archaeomys sp.) found in a mudstone layer of the Pla de la Concòrdia Unit assign a Chattian age (Late Oligocene) to the studied materials. Thus, the Montgat deposits are the youngest dated deposits affected by the contractional deformation that led to the development of the Catalan Intraplate Chain. Taking into account that the oldest syn-rift deposits in the Catalan Coastal Ranges are Aquitanian in age, this allows to precise that the change from a compressive to an extensional regime in this area took place during latest Oligocene-earliest Aquitanian times. This age indicates that the onset of crustal extension related to the opening of the western Mediterranean Basin started in southern France during latest Eocene-early Oligocene and propagated southwestward, affecting the Catalan Coastal Ranges and the northeastern part of the Valencia trough during the latest Chattian-earliest Aquitanian times.

Igneous layering, fractional crystallization and growth of granitic plutons: The Dolbel batholith in SW Niger

This study reassesses the development of compositional layering during the growth of granitic plutons, with emphasis on fractional crystallization and its interaction with both injection and inflation-related deformation. The Dolbel batholith (SW Niger) consists of 14, kilometre-sized plutons emplaced by pulsed magma inputs. Each pluton has a coarse-grained core and a peripheral layered series. Rocks consist of albite (An(<= 11)), K-feldspar (Or(96 99), Ab(1) (4)), quartz, edenite (X(Mg)=0337-0.55), augite (X(Mg)=0.65-0.72) and accessories (apatite, titanite and Fe-Ti-oxides). Whole-rock compositions are metaluminous, sodic (K(2)O/Na(2)O=0.49-0.62) and iron-rich [FeO(tot)/(FeO(tot)+MgO)=0.65-0.82]. The layering is present as size-graded and modally graded, sub-vertical, rhythmic units. Each unit is composed of three layers, which are, towards the interior: edenite +/- plagioclase (C(a/p)), edenite+plagioclase+augite+quartz (C(q)), and edenite+plagioclase+augite+quartz+K-feldspar (C(k)). All phases except quartz show zoned microstructures consisting of external intercumulus overgrowths, a central section showing oscillatory zoning and, in the case of amphibole and titanite, complexly zoned cores. Ba and Sr contents of feldspars decrease towards the rims. Plagioclase crystal size distributions are similar in all units, suggesting that each unit experienced a similar thermal history. Edenite, characteristic of the basal C(a/p) layer, is the earliest phase to crystallize. Microtextures and phase diagrams suggest that edenite cores may have been brought up with magma batches at the site of emplacement and mechanically segregated along the crystallized wall, whereas outer zones of the same crystals formed in situ. The subsequent C(q) layers correspond to cotectic compositions in the Qz-Ab-Or phase diagram at P(H2O)=5 kbar. Each rhythmic unit may therefore correspond to a magma batch and their repetition to crystallization of recurrent magma recharges. Microtextures and chemical variations in major phases allow four main crystallization stages to be distinguished: (1) open-system crystallization in a stirred magma during magma emplacement, involving dissolution and overgrowth (core of edenite and titanite crystals); (2) in situ fractional crystallization in boundary layers (C(a/p) and C(q) layers); (3) equilibrium `en masse' eutectic crystallization (C(k) layers); (4) compaction and crystallization of the interstitial liquid in a highly crystallized mush (e. g. feldspar intercumulus overgrowths). It is concluded that the formation of the layered series in the Dolbel plutons corresponds principally to in situ differentiation of successive magma batches. The variable thickness of the Ck layers and the microtextures show that crystallization of a rhythmic unit stops and it is compacted when a new magma batch is injected into the chamber. Therefore, assembly of pulsed magma injections and fractional crystallization are independent, but complementary, processes during pluton construction.