In-situ analysis of one of the most important and widespread metamorphic and magmatic mineral, garnet, allows to unravel the complex magmatic and metamorphic processes in the continental middle to lower crust. Recent improvements of field emission gun electron probe microanalysis of major and trace elements together with Laser-Ablation ICP-MS trace elements analysis allow spatial high-resolution (ca. 1 µm) and high-precision (sub ppm) measurements of garnet microchemistry in the Sesia Magmatic System associated to the regional metamorphic context of the Ivrea-Verbano Zone, N-Italy.
Composite metamorphic-magmatic garnet xeno-phenocrysts from the mid-crustal granodiorite of Borgosesia in the Sesia magmatic system contains high-phosphorus (ca. 800 ppm) metamorphic cores and multiple igneous overgrowth rims. Low phosphorus overgrowth zones indicate magmatic growth in two main episodes supported by zircon-bearing nanogranitoid inclusions trapped along embayments between garnet cores and the first magmatic growth. Zirconium saturation thermometry indicates temperatures of 820 ± 10 °C for initial magmatic garnet growth and a temperature of 780 ± 10 °C during a second overgrowth. These temperatures are consistent with garnet rim-biotite thermometry of 773 ± 29 °C. The timescales of the overgrowth and initial cooling were quantified using simultaneous Cr + Y + REEs + Hf tracer diffusion and multicomponent major divalent cation diffusion models within garnet. All modeled diffusants were successfully fitted to measured high-spatial resolution profiles using a single temperature-time path in which the temperature associated to the first and second magmatic overgrowth persisted for 7.4 and 5.8 kyr, respectively followed by an initial cooling rate of 0.64 °C.kyr−1.
Garnets in metasedimentary enclaves in the monzogranite associated to the mid-crustal granodiorite have preserved the records of regional metamorphism, followed by subsequent contact metamorphism. Quantitative phase petrology modeling of the enclave indicate regional metamorphic garnet growth at P = 6.8 ± 1.2 Kbar and T = 715 °C ± 43 °C. Based on a comparison with the regional metamorphic terrane of the Val Strona, the REE spectra in garnet from the metasedimentary enclaves indicate intermediate metamorphic grades between upper amphibolite and granulite facies. Similarly, composite xeno-phenocryst garnet in the granodiorite have a potential granulite grade origin. Enclave garnet Cr diffusion modeling provides an independent minimum duration of 1.0 - 6.2 kyr at 820 °C consistent with short mid-crustal granodiorite garnet diffusion estimates. Rhyolite-MELTS isothermal decompression and isobaric cooling modeling on crystallizing granodiorite indicates that garnet xenocrystals can survive in Si-rich magmas and/or further crystalize under specific conditions. Its survival and extraction from the source to the crystallization level is possible with average magma ascent speed of 0.24 to 12 m.yr−1 for 4 and 8 wt.% H2O in the silicate liquid.
Natural data indicate similar Cr and REE diffusivities and P diffusivities smaller than the slowest currently known diffuser, Hf. Preliminary diffusion experimental results at 1 atm tend to confirm the diffusivity of Cr as low as REE but P exhibits diffusion profile longer than Cr and REE at 750 °C. The diffusion profiles observed for P are almost always associated with a Li profile of the same length indicating potential coupled substitutions. Phosphorus in garnet is very promising in monitoring and unraveling the petrologic and chemical evolution and rates in high-temperature metamorphic and magmatic context but additional experiment are required to decipher its behavior, especially the unexpected coupling with Li.
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Le grenat est l’un des minéraux à la fois métamorphique et magmatique le plus utile et répandu dans la croûte continentale permettant de décrypter l’évolution et les interactions magmatique et métamorphique complexes au niveau de la croute continental intermédiaire à profonde. Les récents progrès des analyses des éléments majeurs et traces par microsonde FEG-EPMA couplés aux analyses d’éléments trace par LA-ICP-MS permet des mesures de hautes résolutions spatiales (ca. 1 µm) et de hautes précisions (ca. 5 ppm) de la microchimie du grenat dans le système magmatique de Sesia associé au contexte métamorphique régional de le Zone d’Ivrea-Verbano, Italie du Nord.
Les xeno-phénocristaux composites métamorphiques-magmatiques de grenat de la granodiorite mid-crustale de Borgosesia dans le système magmatique de Sesia contient un cœur métamorphique riche en phosphore et de multiples surcroissances ignées. Les surcroissances pauvres en phosphore indiquent des surcroissances magmatiques pendant deux périodes principales. Les inclusions de nanogranitoïdes contenant du zircon piégé le long de zones de résorptions entre le cœur et la première surcroissance corroborent l’origine magmatique des surcroissances. La thermométrie indépendante de saturation du zirconium fournie une température de 820 ± 10°C lors de la première surcroissance magmatique et 778 ± 10 °C pour la seconde surcroissance confirmée par la température de 773 ± 29 °C fournie par la thermométrie cœur de grenat – biotite. La durée de ces épisodes de surcroissance a été quantifié en modélisant simultanément les profils de diffusion des traceurs Cr + Y + REEs + Hf et des cations divalents majeurs en multicomposant. Chaque diffuseur du modèle a été ajusté avec succès au profil mesuré avec une haute résolution spatiale en utilisant une évolution température-temps unique. Les températures associées à chaque période de surcroissance ont persisté pendant 7.4 et 5.8 ka chacun suivi d’une vitesse de refroidissement initial de 0.64 °C.ka−1.
La croissance des grenats des enclaves métasédimentaires dans le monzogranite localisé à côté de la granodiorite mid-crustale a eu lieu lors d’une première période de métamorphisme régional suivi d’une seconde période de métamorphisme de contact due à l’activité magmatique environnante. La modélisation de l’équilibre des phases de l’enclave indique que la première croissance métamorphique s’est produite à P = 6.8 ± 1.2 Kbar et T = 715 ± 43 °C. En comparant en sus avec les spectres de terres rares des roches métamorphiques de la section du Val Strona, l’enclave a une potentielle origine metamorphique de grade intermédiaire entre amphibolite supérieure et granulite. En procédant de même, le xeno-phénocristal composite de grenat dans la granodiorite a une potentielle origine de grade granulitique. La modélisation des profiles de diffusion en Cr des grenats de l’enclave indique des durée minimum indépendante de 1.0 – 6.2 ka à 820 °C corroborant les courtes durées estimées par le modéle de diffusion dans la granodiorite mid-crustale. A partir des calculs Rhyolite-MELT de stabilité de phases magmatiques lors de décompression isothermale et de refroidissement isobarique, les xenocristaux de grenat hérités de roches metamorphiques environnantes peuvent survivre dans un magma rich en Si et/ou continuer à cristalliser dans des conditions spécifques. Sa survie et extraction depuis sa source jusqu’à sa profondeur de cristallisation actuelle est possible avec une vitesse d’ascenscion du magma moyenne entre 0.24 et 12 m.an−1 respectivement pour une teneur en eau du magma de 4 et 8 Wt.%.
Les données naturelles montrent une diffusivité similaire pour le Cr et les REE ainsi que pour le P, une diffusivité inférieure au plus lent diffuseur connue dans le grenat, le Hf. Les résultats expérimentaux préliminaires tendent à confirmer la diffusivité du Cr, aussi basse que celle des REE. Cependant P montre des profiles de diffusion plus long que ceux du Cr et REE à 750 °C. Les profiles de diffusion du P sont presque toujours associés à un profile de longueur similaire en Li. Cela indique potentiellement des subsitutions couplées pour le P et le Li. Le phosphore dans le grenat est très prometteur pour permettre de déchiffrer les évolutions pétrologiques et chimiques ainsi que la durée de ces processus dans des contextes pétrologiques de (ultra-) haute température. Des expériences supplémentaires sont cependant nécesaires pour comprendre en détails le comportement du P dans le grenat, notamment le couplage inattendu avec le Li.
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Les roches métamorphiques et magmatiques sont les composantes majeures de la croute continentale terrestre. Parmi ces roches figure un minéral, le grenat d’un intérêt tout particulier, en ce sens, où sa composition chimique varie en fonction des conditions de pression et température à laquelle il se forme. Ce minéral rouge et de morphologie proche d’une sphère intègre aussi de nombreux éléments à l’état de trace (ppm, partie par million). En utilisant les propriétés spécifiques de chacun de ces éléments et notamment leur mobilité au sein du minéral, il est possible de déchiffrer, entre autres, les enregistrements de sa température, pression, chimie de roches environnantes, son temps de résidence à certaines températures et ses origines. Si il a été déplacé après sa cristallisation.
La zone d’Ivrea-Verbano, en Italie du Nord, est une section de la croûte inférieure d’âge Permien, environ 290 Ma, qui a été basculée à 90°et exhumée lors de la collision alpine, il y a environ 40 Ma. Elle constitue un laboratoire naturel unique au monde permettant de se déplacer au sein de la croûte inférieure à la surface terrestre. Elle est constituée de roches métamorphiques ayant subi des conditions de 700 °C – 7 Kbar (∼ 21 km) à 950 °C – 10 Kbar (∼ 30 km) ainsi que d’un complexe magmatique de roche pauvre en Silice (gabbros) dont nombres contiennent du grenat. Le pluton granitique de Borgosesia riche en silice ayant cristallisé à des profondeurs beaucoup plus superficielles (3 Kbar, ∼9 km) est le résultat de l’évolution et de l’interaction du complexe magmatique et des roches métamorphiques environnantes. Une caldera fossile d’environ 13 km de diamètre est associée au complexe magmatique, appelé le Supervolcan de Sesia. Un équivalent actuel est le Supervolcan de Yellowstone.
Cette thèse est le résultat de l’observation et de l’analyse de la microchimie à l’échelle du microns (10−6 m) à haute précision (sub ppm). Il a été possible de mettre en évidence que les grenats présents dans le pluton granitique ont une origine multiple avec un cœur métamorphique et une couronne de surcroissance magmatique. Ces surcroissances et la composition en Zirconium du granite montrent une mise en place du magma au cours, au minimum, de deux pulses de magma de température de 820 ± 10 °C et 780 ± 10 °C. Les variations de compositions du grenat entre le cœur et ces surcroissances ont été modélisées numériquement et fournissent des informations sur la durée de persistance de ces températures de respectivement 7400 et 5800 ans suivi par une vitesse de refroidissement initial de 0.64 °C par millier d’année.
Parallèlement, des blocs de roches métamorphiques appelés enclaves sont présents dans ce granite et contiennent eux aussi des grenats. Ils ont préservé un enregistrement de leurs conditions de croissance métamorphique, régionale pour leur cœur et induit par le magma dans leur surcroissance. Le cœur s’est formé à environ 6.8 ± 1.2 Kbar (∼ 20.4 km) et 715 ± 43 °C. La comparaison de la chimie des terres rares de ces grenats avec les grenats que l’on trouve dans les roches métamorphiques environnantes ont confirmé ces résultats. De manière similaire, le cœur du grenat présent dans le granite a probablement une origine plus profonde proche de 9 – 11 Kbar (∼ 30 km). La modélisation de la variation de composition des grenats des enclaves indique des durées similaires à celles obtenues pour les grenats du granite, 1000 à 6200 ans à 820 °C.
Cela montre que les grenats peuvent cristalliser en profondeur (∼ 20 à 30 Km) avant d’être entrainé et de survivre par un magma riche en silice à haute température jusqu’à des faibles profondeurs (∼ 9 km). Cette étude démontre aussi la courte durée des processus de mise en place du pluton granitique à l’échelle des temps géologiques. Ces dynamiques de mise en place en de court pulses magmatiques sont de plus en plus observées à la fois dans la zone d’Ivrea-Verbano et ailleurs sur terre par des études et méthodes indépendantes. La mise en évidence de ces dynamiques et de ces fortes interactions entre roche métamorphiques et roches magmatiques en contexte de haute température fournissent une aide précieuse à la compréhension des phénomènes volcaniques associés. De même aux dynamiques d’éruptions volcaniques de type explosives dans de grandes calderas similaires à la caldera de Yellowstone qui constituent un risque majeur de la région. La compréhension de ces phénomènes accroit les capacités humaines à prédire des éruptions potentiellement dangereuses et catastrophiques.