Les plus grands événements éruptifs de type explosifs du registre géologique sont liés à des roches de compositions felsiques, telles que les super-éruptions caractérisant Yellowstone (USA) et Toba (Indonésie). Comprendre l'origine des volcans rhyolitiques à caractère explosif présente plusieurs intérêts: 1) ils représentent une menace majeure pour notre sécurité, 2) les centres volcaniques peuvent être une source d’énergie (géothermique) ainsi que des lieux privilégié d’exploitation de métaux industriels ou précieux (or, cuivre, argent, fer). Le but de cette thèse est d'améliorer nos connaissances sur les processus fondamentaux à l’origine de la création de grands volumes de magmas felsiques, notamment en raison de leur lien étroit avec la compréhension de la formation et de l'évolution de la croûte terrestre (continentale) au fil du temps.
La zone d'étude est la province ignée silicique jurassique de Chon Aike (CASP), où les roches volcaniques représentent plus de 235’000 km3 distribués à travers la Patagonie et la péninsule Antarctique. Le CASP est un exemple de magmatisme felsique où la fusion partielle (anatexie) de la croûte sédimentaire plus ancienne semble être un paramètre important quant à sa formation. Toutefois, cette hypothèse est fortement débattue en raison de la rareté des données. Par conséquent, j'ai étudié deux formations felsiques majeures dans le CASP de la Patagonie méridionale (Argentine): le complexe d'El Quemado (EQC) et la formation de Chon Aike (CA) dans la partie occidentale du massif de Deseado. Ces formations sont constituées de dépôts d'ignimbrites et de coulées de lave de composition rhyolitique, et parfois de dacite.
J’ai combiné des données sur l'oxygène et les isotopes radiogéniques pour identifier les sources crustales et mantelliques dans la génération des magmas CASP. Mon travail montre que les minéraux étudiés, quartz et zircon, sont caractérisés par des compositions δ18O élevées et de données isotopiques négatives d’epsilon hafnium, ce qui suggère une composante crustale importante dans la genèse de ces magmas siliciques. Les modèles géochimiques indiquent que 60% à 70% des magmas générés proviendraient de la fusion partielle d’un socle métasédimentaire. Les modélisations thermodynamiques indiquent que la fusion crustale est limitée à une profondeur d'environ 20 km (5 kbar) et à une température de 900°C. Une contribution géochimique et thermique provenant de magma(s) basaltique(s) est encore nécessaire pour expliquer la géochimie observée et pour fournir une source de chaleur nécessaire à la production de grands volumes de roches felsiques. La contribution d’un plume mantellique a souvent été mentionnée suite à la proximité de la Patagonie et du continent Africain au Jurassique, soit durant la séparation du Gondwana. Toutefois, la formation de l’EQC and du CA serait mieux expliquée par un scénario impliquant un contexte de subduction.
Les échantillons de l'EQC ont des âges entre 148 et 152 Ma, tandis que les échantillons de la CA sont nettement plus anciens, soit environ 159 Ma. A l’aide des âges U-Pb de haute précision, il a été possible de démontrer que le volume de magmas explosifs composant l'EQC a fait éruption en moins de 350’000 ans. Ce rythme d'éruption rapide est similaire à celui des "ignimbrite-flareups" modernes observés dans la zone volcanique du Taupo (Nouvelle-Zélande) et du complexe volcanique de l’Altiplano-Puna (Chili).
En dernier lieu, l’utilisation de la tomographie par sonde atomique (APT), une technique relativement récente de caractérisation à l'échelle nanométrique de matériaux géologiques en 3D, a permis l’acquisition d’analyses élémentaires et isotopiques sur la dissolution et la croissance dans les zircons ignés. Les cartes chimiques à l'échelle atomique (3D) ont révélé une distribution complexe des éléments traces tels que Y, Be et P à l'échelle du nanomètre dans certains cristaux, mais dans l'ensemble, la distribution des éléments traces est remarquablement homogène, ce qui indique une limitation de la mobilité des éléments traces durant la fusion partielle.
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The Jurassic Chon Aike Silicic Large Igneous Province (CASP) comprises 235,000 km3 of predominately felsic eruptions exposed throughout southern Patagonia and the Antarctic Peninsula. Since the 1980s, it has been advocated that the CASP is largely derived by crustal anatexis during the breakup of Gondwana, yet many aspects of this hypothesis are still under discussion, largely relating to the scarcity of isotopic data within the province. To further explore this hypothesis, I investigated ignimbrites and rhyolites of the CASP in southern Patagonia (Argentina) from the El Quemado Complex (EQC), where sampling followed a 230-km long, north-south transect along the eastern Andean margin, and the Chon Aike Formation (CA) with samples from the western Deseado Massif. To detect and understand the age and geochemical pattern across this region, I carried out U-Pb age determination by LA-ICP-MS. Samples from the EQC yield ages from 148-152 Ma, where no north-south trend could be determined.
Abundant inherited cores are also preserved and yield ages ranging from ~180 Ma to 2.4 Ga. Samples from the CA are clearly older at ca. 159 Ma; zircon inheritance is rare in the CA units. To gain further understanding on the magmatic timescales of this province, I used high-precision U-Pb geochronology data. The CA-ID-TIMS ages suggest a significantly shorter timescale of 350,000 years, in comparison to the protracted 5 Myr duration allowed by the in situ data. This is consistent with the concept that large magmatic systems are constructed incrementally by episodes of high magmatic activity, i.e., “ignimbrite flareups”.
I combine oxygen (both SIMS and laser fluorination) and radiogenic hafnium isotope data to trace crustal versus mantle sources in the generation of these felsic magmas. The EQC samples show an 18O-enriched composition for both quartz (>9 to 12 ‰) and zircon (7 to 9 ‰); zircons have negative hafnium epsilon values (-2.0 to -8.0). The CA samples have elevated δ18O values as well for both quartz (8 to 9 ‰) and zircon (6 to 7 ‰), while initial εHf values trend toward more radiogenic Hf compositions (-4.0 to +1.5). The δ18O values of the CASP melts are significantly higher than what would be expected for felsic magmas formed by simple closed- system fractionation from any mantle-derived melt (e.g., 6 to 7‰) and clearly indicate a significant crustal role in the genesis of these felsic magmas. My mass balance and δ18O-Hf mixing models suggest that an average of 60 and 70 % of the melt must have been derived by partial melting of a metasedimentary basement. The observed isotopic differences (EQC vs. CA) seem to reflect the differences in the composition of their respective source region (e.g., southern Andes vs. Deseado Massif). These δ18O-Hf mixing arrays also reveal that a geochemical contribution from juvenile basaltic magmas is still required, especially for the CA samples. I used thermodynamic modelling to calculate the P-T conditions that could produce large volumes of felsic magmas. These calculations show that fluid-absent melting of a greywacke at 5 kbar, corresponding to a mid- to lower-crustal depth of ca. 20 km within an extending crust, can produce significant melt volumes at temperatures less than 900°C.
Finally, my Atom Probe Tomography study, in combination with electron microprobe trace element maps and cathodoluminesce data, highlights the nanoscale complexity of trace element distribution in ordinary magmatic zircons, their inherited cores, and an intriguing intra-sample variety of textures. In this work (in progress), atomic-scale chemical (3D) maps revealed complex distribution in trace elements at the nm-scale in domains that appear to have been affected by dissolution and reprecipitation reactions. Overall, I notice the predominance of homogenous major and trace element distribution in APT samples that reveal that most of the zircon domains survived largely undisturbed, which in turn indicates that trace element mobility can be limited during anatexis.
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La grande province ignée silicique jurassique de Chon Aike (CASP) comprend 235 000 km3 de laves, principalement felsiques, exposées dans le sud de la Patagonie et la péninsule Antarctique. Depuis les années 1980, il a été avancé que le CASP est en grande partie dérivé de l'anatexie crustale pendant la rupture du Gondwana. Cette hypothèse est encore toutefois débattue, principalement en raison de la rareté des données isotopiques dans la province. Pour approfondir cette hypothèse, j'ai étudié des ignimbrites et des rhyolites du CASP en Patagonie méridionale (Argentine), provenant du complexe d'El Quemado (EQC), sur un transect N-S de 230 km le long de la marge andine orientale, et de la formation Chon Aike (CA) avec des échantillons provenant du massif occidental de Deseado. Pour comprendre et détecter l'âge et le modèle géochimique dans cette région, j'ai calculé des âges U-Pb mesuré par LA-ICP-MS. Les échantillons de l'EQC donnent des âges de 148-152 Ma, et d'abondants noyaux xénocrytiques préservés donnent des âges allant de ~180 Ma à 2,4 Ga. Les échantillons de l'AC sont nettement plus anciens (~159 Ma). Pour mieux comprendre les échelles de temps magmatiques, j'ai utilisé des données géochronologiques U-Pb de haute précision. Les âges CA-ID-TIMS enregistrent une échelle de temps significativement plus courte de 350 000 ans. Ceci est cohérent avec l’idée selon laquelle les grands systèmes magmatiques sont construits progressivement par des épisodes de forte activité magmatique, c'est-à-dire, des "flambées d'ignimbrite".
J’ai combiné les données sur les isotopes de l'oxygène (SIMS et fluoration laser) et du hafnium radiogénique pour tracer les sources crustales et mantelliques dans la génération de ces magmas felsiques. Les échantillons EQC montrent une composition enrichie en 18O pour le quartz (> 9 à 12 ‰) et le zircon (7 à 9 ‰); les zircons ont des valeurs négatives d'epsilon d'hafnium (-2.0 à - 8.0). L'échantillon CA a des valeurs δ18O élevées aussi bien pour le quartz (8 à 9 ‰) que pour le zircon (6 à 7 ‰), tandis que les valeurs εHf initiales tendent vers des compositions Hf plus radiogéniques (-4,0 à +1,5). Les valeurs de δ18O des masses fondues du PCRS sont significativement plus élevées que ce qui serait attendu pour des magmas felsiques formés par simple fractionnement en système fermé à partir de toute masse fondue dérivée du manteau (par exemple, 6 à 7‰). Elles indiquent clairement un rôle crustal significatif dans la genèse de ces magmas felsiques. Mes modèles de bilan massique et de mélange δ18O-Hf suggèrent qu'une moyenne de 60 - 70 % de la masse fondue doit avoir été dérivée par la fusion partielle d'un socle métasédimentaire. Les différences isotopiques observées entre EQC et CA semblent refléter les différences de composition de leur région source respective. Ces mélanges δ18O-Hf révèlent également qu'une contribution géochimique des magmas basaltiques juvéniles est encore nécessaire, en particulier pour les échantillons CA. A l’aide de modélisation thermodynamique, j’ai calculé que les conditions de fusion d’un greywacke, en absence de fluide, à 5 kbar, ce qui correspond à une profondeur crustale moyenne d’environ 20 km au sein d’une croûte en extension, peut produire des volumes de fusion importants à des températures inférieures à 900°C.
Enfin, mon étude de la tomographie par sonde atomique, en combinaison avec les cartes d'éléments traces de la microsonde électronique et les données de cathodoluminescence, met en évidence la complexité à l'échelle nanométrique de la distribution des éléments traces dans les zircons magmatiques ordinaires, leurs noyaux xénocrytiques, et une variété intrigante de textures intra-échantillon. Dans ce travail, les cartes chimiques à l'échelle atomique (3D) montrent une distribution complexe en éléments traces à l'échelle du nm dans des zones qui semblent avoir été affectés par des réactions de dissolution et de reprécipitation. Dans l'ensemble, je remarque la prédominance d'une distribution homogène des éléments majeurs et des éléments traces dans les échantillons APT qui révèlent que la plupart des domaines de zircon ont survécu sans être perturbés, ce qui indique que la mobilité des éléments traces peut être limitée pendant l'anatexie.