Fine-scale rhythmic magmatic layering by a double diffusion process: the example of the mid-crustal Punta Falcone mafic intrusion (Sardinia, Italy)

Détails

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ID Serval
serval:BIB_939997358271
Type
Thèse: thèse de doctorat.
Collection
Publications
Titre
Fine-scale rhythmic magmatic layering by a double diffusion process: the example of the mid-crustal Punta Falcone mafic intrusion (Sardinia, Italy)
Auteur(s)
Ballenegger A.
Directeur(s)
Bussy F.
Institution
Université de Lausanne, Faculté des géosciences et de l'environnement
Adresse
Faculté des géosciences et de l'environnementUniversité de LausanneCH-1015 LausanneSUISSE
Statut éditorial
Acceptée
Date de publication
2016
Langue
anglais
Résumé
Les éruptions volcaniques exprimées en surface, qui peuvent affecter directement notre société, ne représentent que la pointe de l'iceberg d'un système beaucoup plus complexe. La majeure partie du système magmatique terrestre est cachée à l'intérieur de la croûte, sous forme d'intrusions, réservoirs magmatiques ou conduits. La compréhension de la partie volcanique ne peut se taire sans la connaissance des processus de transfert et d'évolution du magma qui ont lieu sur le chemin d'alimentation et qui peuvent, dans certains cas, mener à des éruptions volcaniques.
Cette étude a été réalisée sur une de ces intrusions, le complexe mafique de la Punta Falcone au nord de la Sardaigne, mis en place à une dizaine de km de profondeur voici 290 Ma. Grâce aux Mouvements tectoniques et à l'érosion, cette intrusion est aujourd'hui exposée à la surface. Nous avons pu mettre en évidence la construction incrémentale de cette dernière par l'injection de puisas successifs ayant une épaisseur de 10 à 60 m. Une évolution chimique entre les premiers et les; derniers puises montre une interaction de moins en moins intense avec les granités encaissants. Etant donné la petite taille ainsi que la courte durée d'activité du complexe, les magmas qui ont transité par cette intrusion n'ont probablement jamais atteint la surface.
La connaissance des processus de mise en place de cette intrusion ont permis d'investiguer un phénomène géologique particulier: la formation d'un litage magmatique rythmique à l'échelle de 3 cm environ. Le litage est présent uniquement dans un des puises tardifs et se développe de façon parallèle à la bordure de celui-ci. L'étude des textures et de la chimie des minéraux a permis de définir les caractéristiques des horizons noirs et blancs du litage, ainsi que l'ordre de cristallisation des minéraux. Plusieurs processus sont proposés dans la littérature pour la formation de ce type de litage, comme (a) l'accumulation de minéraux denses au fond d'une chambre magmatique; (b) la déformation d'un magma contenant des cristaux, qui concentre ces derniers dans des plans parallèles ou (c) des processus basés sur des gradients thermiques et chimiques, qui mènent à la formation de lits de minéralogie différente (soit par cristallisation directe en bandes, soit par recristallisation de la roche). L'absence d'orientation préférentielle des cristaux, la texture des minéraux mafiques, ainsi que l'orientation verticale du litage ont permis d'exclure sa formation par déformation, recristallisation ou accumulation gravitaire. Le processus proposé est basé sur une double diffusion, thermique et chimique, qui mène à la cristallisation rythmique des minéraux mafiques dans les couches noires uniquement. La cristallisation de phases mafiques dans une bande parallèle à la bordure du puise mène à la formation d'une couche adjacente appauvrie en éléments chimiques utilisés pour la croissance de ces minéraux. Ceci empêche leur nucléation et donc leur formation dans cette zone adjacente, qui va devenir une bande blanche.
Un modèle numérique a été développé pour vérifier les paramètres chimiques et physiques de ce processus. Les résultats obtenus montrent qu'il est possible d'expliquer la formation d'un litage magmatique avec les caractéristiques de la Punta Falcone dans le cas d'un refroidissement relativement rapide (de quelques dixièmes à plusieurs °C par an), comme c'est le cas pour cette intrusion. 
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L'intrusion mafique de Punta Falcone, encaissé dans des granités de croûte moyenne, a une structure verticale résultant de l'injection d'au minimum 6 puises de magma de 10 à 60 m d'épaisseur, formant des unités de refroidissement distinctes. L'injection de nouveaux puises au centre du système crée une intrusion symétrique. Les contacts entre les unités sont bien définis et montrent des bordures légèrement figées, contraire à un flux de magma continu qui aurait eu un impact thermique marqué sur les unités adjacentes. Punta Falcone ressemble à un complexe lité de section elliptique.
La présence de plagioclase (An8o-9o) comme phase liquidus dans toutes les unités et les compositions d'isotopes radiogéniques indiquent une source commune pour toutes les unités d'injection. Des différences dans l'évolution magmatique apparaissent après la cristallisation du plagioclase. Dans les premières unités il est suivi par des amphiboles (sub-)automorphes de taille millimétriques montrant une large gamme de composition définie par l'échange édénite et indiquant une croissance isobarique. Les compositions en roche totale des unités plus tardives montrent une accumulation de plagioclase riche en anorthite avant l'emplacement. En raison de la maturation thermique du système, les magmas cristallisent alors des pyroxènes centimétriques poecilitiques qui englobent les plagioclases, suivi par des amphiboles avec la même texture. Les bordures de plagioclase cristallisant ultérieurement montrent un saut en composition vers Anso- Le changement de composition des amphiboles entre les premières et les dernières unités indique une diminution dans la contamination avec les granités encaissants. L'extraction du liquide résiduel imprime une signature chimique cumulative aux gabbros. La quantité de liquide extrait est difficile à évaluer; elle est probablement plus élevée dans les unités tardives.
Un litage magmatique rythmique présent dans un des puises tardifs a été étudié par le travail de terrain, les textures et la chimie des minéraux. Il est parallèle à la bordure du puise et présente un espacement constant d'environ 3 cm. L'intensité diminue de la bordure vers le centre. Les couches noires sont formées par des pyroxènes et amphiboles poecilitiques qui contiennent des plagioclases riches en anorthite. Les couches blanches sont formées par ces mêmes plagioclases, mais avec une bordure évoluée et du quartz interstitiel. Nos observations ont permis d'exclure une origine gravitaire ou mécanique pour leur formation, tout comme un processus de "Ostwald ripening" menant à la recristallisation de la roche en couches. Nous proposons un processus de double diffusion dans un gradient thermique. La cristallisation des phases mafiques dans une bande parallèle à la bordure du puise mène à la formation d'un horizon appauvri en Fe et Mg dans lequel la nucléation des minéraux ferromagnésiens est inhibée et qui engendre une bande felsique. Ce processus est rythmique en raison de la cristallisation hors-équilibre induite par le dépassement de la température de cristallisation. Les conditions physiques qui peuvent mener à ce litage ont été contraintes par un modèle numérique.
Différents scénarios de refroidissement dérivés d'un modèle numérique thermique global de l'intrusion ont été combinés avec un modèle de nucléation et croissance des minéraux mafiques. Nos investigations des différents paramètres ont montré que le modèle proposé peut mener à la formation d'un litage magmatique rythmique avec les caractéristiques observées à Punta- Falcone pour des taux de refroidissement de quelques dixièmes à plusieurs °C/an. La diffusion chimique doit être élevée (environ 10-10 m2/s) pour le développement d'un litage de grande amplitude.
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The granite-hosted mid-crustal mafic intrusion of Punta Falcone bas a pervasive vertical struc­ ture defined by the injection of at least 6 distinct pulses forming 10 to 60 m wide individual cooling units. The injection of new pulses occurred in the centre of the system, leading to a symmetrical intrusion. Contacts between the units are well-defined and present slight chilled margins speaking against a continuous magma flux , which would have had a marked thermal impact on the adjacent units. The complex is similar to a sheeted dyke complex with an elliptical cross-section.
The presence of Anso-9o plagioclase as liquidus phase in all unit and radiogenic isotpe compositions indicate a common magma source for all injection units. Differences in the magmatic evolution occur after plagioclase crystallization. In the early units, it is followed by sub-/euhedral amphibole of mm-size with a wide range of compositions dominated by the edenite­type substitution evidencing relatively fast, isobaric cooling at emplacement level. The later units accumulated high-An plagioclase before ascent as indicated by whole-rock chemistry. After emplacement and due to the thermal maturation of the system, they isobarically crystallized cm-sized oikocrysts of pyroxene enclosing high-An plagioclase, closely followed by amphibole with the same texture. This led to a sudden decrease in An-content in the subsequently crystallizing plagioclase rims (An50 ) , which are absent in the mafic phases . The change in amphibole composition from the early to the late units indicates a decreased contamination by the granitic hast over time. Extraction of residual liquid lead to the cumulative chemical signature of the gabbros. The amount of expelled liquid is difficult to evaluate, but is likely to be higher in the late units.
The formation of rhythmic magmatic layering occurring in one of the late pulses was addressed by field work, textural and chemical investigation. Layering occurs parallel to the border of the pulse, has a constant spacing of ca. 3 cm and decreases in amplitude from the border inwards. Dark layers are formed by poikilitic pyroxene and amphibole including high-An plagioclase grains, and white layers are formed by rimmed plagioclase with interstitial quartz. Our observations allowed to exclude a gravitational or mechanical origin for layer formation, as well as an Ostwald ripening process leading to recrystallization of the rock in layers. We propose layer formation by a double diffusion process leading to rhythmic nucleation inhibition in a depleted boundary layer after each layer formation. This process is triggered by a thermal gradient, and perpetuated because of out of equilibrium crystallization due to overstepping of the crystallization temperature. The physical conditions under which this layering can occur were investigated by a numerical model.
Different cooling scenarios derived from numerical modelling using the geometry, size, number of pulses and emplacement chronology of the c:omplex were combined with a nucleation­growth model for the layer fonning mafic minerals . Our parameter space investigation showed that the proposed model can lead to rhythmic magmatic layering with the c:haracteristics observed in the Punta Falcone for a SD.1a]J n1.g of cooling rates of several tenths to several °C/year. Chemicial diffusion values have t 1 high (around 1010 m 2 /s) to allow development of layering with important amplitude, that is with important modal contrast between the dark and white layers.
Création de la notice
04/10/2016 11:53
Dernière modification de la notice
20/05/2019 11:52
Données d'usage