Specific instances throughout the geodynamic evolution of tectonic nappes are recorded by mineral assemblages in metamorphic rocks, from which pressure (P) and temperature (T) conditions can be assessed through thermobarometry. Conventionally, the maximum P is assumed to reflect the maximum burial depth reached by a coherent tectonic unit during regional metamorphism. P is converted to depth using the lithostatic P formula, which states that P and depth are linearly related. However, peak P estimates in coherent tectonic units are often very heterogeneous.
In the Monte Rosa nappe, Western Alps, Alpine peak P estimates reported in the literature vary from 1.2 to 2.7 GPa. Accordingly, maximum burial depths are either within crustal depths or at mantle depths, implying therefore considerably different tectonic models (e.g. subduction channel or orogenic wedge). Such large P ranges can be explained by three scenarios: i) peak P was homogeneous, hence the P range is an artefact due to various geobarometric tools used; ii) peak P was homogeneous, but some prograde reactions were inhibited due to slow kinetics; or iii) peak P was heterogeneous, due to a heterogeneous stress distribution between lithologies of contrasting rheologies.
The aim of this thesis is to explore the three above-mentioned hypotheses in order to under- stand the significance of P variations within coherent tectonic units. To do so, the focus of the thesis is set on a specific region of the Monte Rosa nappe, located in the Upper Ayas Val- ley, in Aosta, where the largest P variation is recorded between a metagranite and enclosed whiteschist. Whiteschists result from the localized metasomatic alteration of the granite, hence the metagranite and whiteschist are coherent and were always at the same depth during the Alpine orogeny. Being metasomatic rocks, whiteschists evolve under fluid-saturated condi- tions during high-pressure (HP) metamorphism, whereas the metagranite, qualified as “dry”, would have evolved in water undersaturated conditions, potentially impeding the progression of prograde reactions. The approach of this study is to evaluate the impact of fluid saturation conditions on the HP record in both the whiteschist and metagranite independently; as well as spatially along a profile going from the whiteschist towards the metagranite.
The relative age of the metasomatic event at the origin of the whiteschist chemistry is es- tablished by combining field and petrographic observations with whole rock geochemistry as well as radiogenic isotopes. The interplay between fluid events and metamorphic reactions is discussed based on in situ oxygen isotopes measurements in white mica. For this, a new set of white mica reference materials was developed for in situ oxygen isotope measurements by Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS). The water-saturation conditions of metagranites were assessed by petrographic observations of reaction product microstructures in the best- preserved HP metagranites. Silica in phengite barometry was used in combination with water activity (aH2O) estimate in phengite. To this end, a new set of white mica reference materials was calibrated for in situ H2O content measurement by SIMS and P - aH2O relationships were evaluated.
Field and geochemical studies of the whiteschist revealed a pre-Alpine localized pervasive alteration of the granite by late magmatic hydrothermal fluids along tube-like structures. A subsequent closed-system Alpine metamorphic evolution is suggested based on oxygen isotopes in white micas from the whiteschist. Thermodynamic calculations on whiteschists resulted in a minimum peak P of 2.2 GPa. Jadeite has never been observed in the best-preserved HP metagranites, however plagioclase pseudomorphs consist of fine-grained assemblages of zoisite, albite ± white mica. Igneous twinning is preserved in these pseudomorphs, attesting that albite is not a retrograde product after jadeite. Silica in phengite barometry indicates a maximum peak P of 1.4 GPa, consistent with the absence of jadeite. In situ H2O content data in phengite revealed high OH− content of the hydroxyl site, pointing towards high aH2O in both metagranites and whiteschists; thus, in contrast with what is proposed in the literature.
These results point towards an Alpine peak P difference of 0.8 GPa between the metagranite and whiteschists, that is not due to slow kinetics or total retrogression. An alternative model explaining P variations related to heterogeneous stress conditions is presented. A simple mechanical model, based on an analytical solution is used, that reproduces the observed P variation.
This study documents the first field evidence that demonstrates outcrop-scale P variations up to several kilobars can be produced between rocks of contrasting mechanical properties. Consequently, the lithostatic paradigm does not apply in this case and the burial depth reached by the Monte Rosa nappe at Alpine peak conditions is restricted to lower crustal depth. Hence, a tectonic model involving deep subduction of the crustal units is not necessary and a model involving an orogenic wedge would better fit with both the metamorphic record and structural reconstructions. The results of this thesis show that P can be heterogeneous for inclusion - hosts systems. This is not in agreement with the lithostatic paradigm and could have great impacts on the current view of the geodynamic history of the Alps and other orogenic systems.
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Des instants spécifiques de l’évolution géodynamique des nappes tectoniques sont enregistrés par les assemblages de minéraux dans les roches métamorphiques, pour lesquelles les conditions de pression (P) et température (T) peuvent être déduites par des méthode thermo-barométriques. Conventionnellement, la P maximale reflète la profondeur d’enfouissement maximale atteinte par une unité tectonique durant le métamorphisme régional. La P est convertie en profondeur en utilisant la formule de la pression lithostatique, qui établit que la relation entre la P et la profondeur est linéraire. Toutefois, les estimations de pic de P dans des unités tectoniques cohérentes sont souvent très hétérogènes.
Dans la nappe du Mont Rose, dans les Alpes de l’Ouest, les estimations du pic de P répertoriées dans la littérature varient entre 1.2 et 2.7 GPa. Par conséquent, la profondeur d’enfouissement maximale est située soit dans la croûte, soit à des profondeurs mantelliques, ce qui implique des modèles tectoniques considérablement différents (par exemple, le chenal de subduction ou le prisme orogénique). Cette large fourchette de P peut être expliquée par différents scénarii : i) le pic de P était homogène, mais la fourchette de P est un artéfact, résultant de l’utilisation de différents outils barométriques; ii) le pic de P était homogène, mais certaines réactions progrades n’ont pas eu lieu, à cause de conditions cinétiques lentes; ou iii) le pic de P était hétérogène, dû au fait que la distribution des contraintes est hétérogène entre des lithologies ayant différentes propriétés rhéologiques.
Le but de cette thèse est d’explorer les trois hypothèses mentionnées ci-dessus dans le but de comprendre la signification des différences de pression répertoriées dans les unités tectoniques. Pour cela, le centre d’intérêt de la thèse se concentre sur une localité dans le haut val d’Ayas,
à Aoste, où la plus grande différence de pic de P est observée entre un schiste blanc et son encaissant de métagranite. Les schistes blancs résultent de l’altération métasomatique localisée d’un granite. Les deux roches sont donc cohérentes et étaient juxtaposées tout au long de leur enfouissement durant l’orogenèse Alpine. Etant des roches métasomatiques, les schistes blancs ont évolué dans des conditions de saturation en eau durant le métamorphisme de haute pression (HP), alors que les granites, qualifiés de “secs”, auraient évolué en condition de sous-saturation en eau, ce qui auraient potentiellement entravé la progression des réactions progrades. L’approche de cette étude est d’évaluer l’impact des conditions de saturation en eau sur l’enregistrement métamorphique de HP dans les schistes blancs et les métagranites, indépendamment, et aussi spatialement le long d’un profile partant d’un affleurement de schistes blancs jusqu’au métagranite.
L’ˆage relatif de l’événement métasomatique à l’origine de la chimie des schistes blancs est établi en combinant des observations de terrain et pétrographiques avec des données géochimiques ainsi que des données d’isotopes radiogéniques. L’interaction entre les
événements fluides et les réactions métamorphiques est discutée sur la base de données in-situ d’isotopes de l’oxygène sur mica blanc dans les schistes blancs. Pour cela, un nouvel ensemble de matériaux de référence a été développé pour l’analyse des isotopes de l’oxygène dans les micas blancs par spectrométrie de masse à ions secondaires (SIMS). Les conditions de saturation en eau des métagranites sont établies sur la base d’observations pétrographiques des microstructures de produits de réaction dans les métagranites de HP les mieux préservés. Le baromètre de la silice dans la phengite est utilisé, en combinaison avec une estimation de l’activité de H2O dans la phengite. Dans ce but, un ensemble de nouveaux matériaux de référence a été calibré pour l’analyse in-situ de H2O dans les micas blancs par SIMS et la relation entre activité de H2O et P a été évaluée thermodynamiquement.
Les études de terrain, pétrographiques et géochimiques ont révélé une altération pré-Alpine localisée et pénétrante des granites par des fluides tardi-magmatiques hydrothermaux, le long de structure en forme de tube. Les données d’isotopes de l’oxygène in-situ dans les micas blancs des schistes blancs suggèrent que le métamorphisme Alpin ultérieur a été fait dans des conditions de système fermé. Les calculs thermodynamiques sur schiste blanc indiquent un pic de P minimum de 2.2 GPa. La jadéite n’a jamais été observée dans les métagranites de HP les mieux préservés, toutefois les pseudomorphes du plagioclase observés consistent en un assemblage de zoisite, albite ± mica blanc finement cristallisés. La macle du plagioclase igné est préservée, ce qui atteste que l’albite n’est pas un produit de déstabilisation de la jadéite. La barométrie de silice dans la phengite dans les métagranites indique un pic de P maximal de 1.4 GPa, cohérent avec l’absence de jadéite. Les données in-situ de H2O dans les micas blancs ont révélé une fraction de OH− élevée dans le site hydroxyle, suggérant une activité de H2O élevée dans les métagranites et les schistes blancs, en désaccord ce qui avait été précédemment suggéré dans la litérature.
Les résultats indiquent une différence de pic de P de 0.8 GPa entre le métagranite et les schistes blancs, qui n’est pas due à des conditions de cinétique lente ou à une rétrogression complète. Un modèle alternatif est présenté, qui explique les variations de P avec des conditions de contraintes hétérogènes. Un modèle mécanique simple, basé sur une solution analytique, est utilisé et permet de reproduire les variations de P observées.
Cette étude documente la première preuve de terrain que des variations de P de plusieurs kilobars peuvent être générées à l’échelle de l’affleurement, entre des roches ayant des propriétés mécaniques différentes dans une certaine configuration de système d’inclusion et hôte. En conséquence, le paradigme de la pression lithostatique n’est pas applicable dans ce cas et la profondeur d’enfouissement atteinte par la nappe du Mont Rose aux conditions de pic du métamorphisme est restreinte à des profondeurs crustales. Un modèle tectonique impliquant une subduction profonde des unités crustales n’est donc pas nécessaire. Le modèle de prisme orogénique conviendrait mieux pour expliquer l’enregistrement métamorphique ainsi que les reconstructions structurales.
Les résultats présentés dans cette thèse montrent que la P peut être hétérogène dans des systèmes d’inclusion hôte. Cela est en désaccord avec le paradigme de la P lithostatique et pourrait avoir un impact conséquent sur la vision de l’histoire géodynamique des Alpes et d’autres systèmes orogéniques.