The final differentiation of intermediate to felsic magmas plays a fundamental role for magmatic systems, linking crystallising plutons, volcanic activity, volatile exsolution and ore deposits. However, our understanding of the nature of these links is limited by the scarcity of outcrops exhibiting clear relationships between the plutonic roots that feed its volcanic counterpart. Recent advances on the topic of melt extraction processes and timescales benefited from improvements of analytical techniques enabling (1) high-precision zircon dating and (2) in situ measurements of trace and volatile element concentrations in minerals and glassy melt inclusions. The time constrains determined from zircon petrochronology and diffusion modelling are currently used to document the time required for eruptible magma to assemble, while the determination of volatile concentrations helps constraining the melt physical properties and the occurrence of a potential magmatic fluid. Diffusion modelling and volatile characterisation have widely been employed on quenched volcanic rock samples due to the absence of chemical re-equilibration related to cooling, whereas its application has been limited in plutonic rocks.
This study reconstructs the chemical and thermal evolution undergone by the Western Adamello and Re di Castello tonalites (Adamello batholith, Italy), Alpine calc-alkaline intrusions formed during the collision of the European and Adriatic plates, with the aim to precisely document the tonalite petrography in order to retrieve melt segregation timescales. In this scope, a detailed petrographic study is first performed and is based on thorough field and thin section observations, bulk rock and mineral chemistry, and mass balance modelling. This allowed the characterisation of a peritectic reaction consuming amphibole and crystallising biotite, and the quantification of crystal accumulation and melt segregation. Finally, the calculated volumes of segregated and extracted melt within the Western Adamello are then confronted to the scarcity of Alpine volcanism.
Precisely determining timescales using diffusion chronometry requires a robust knowledge of cation diffusion rates in minerals. Although diffusion coefficients of Sr and Ba in plagioclase were determined decades ago, recent studies performing diffusion experiments demonstrated that the experimental setup of these previous studies might not be adequate to capture diffusion rates. New experiments have been performed using polished plagioclase crystals and sol-gel-derived source powders whose stable assemblage and compositions were thoroughly characterised. The retrieved diffusion coefficients for Sr and Ba after annealing are similar, and differ by ∼2 and 0.5 orders of magnitude, respectively, from previous studies. Such differences are well-explained by the presence of a stable assemblage containing Ba-feldspar in the previous Ba experiments, whereas no Sr-bearing silicate was present in the source powders of previous studies. This hindered the incorporation of Sr in plagioclase and instead resulted in a reaction between Sr oxide and plagioclase.
Measured compositional profiles in minerals from the Western Adamello and Re di Castello lithologies revealed the presence of Sr and Ba zoning in plagioclase core-mantle and mantle-rim, Ti zoning in quartz rim, and Ba and Sr zoning in alkali feldspar. All these features, except the core-mantle plagioclase zoning, are related to the cooling of the pluton, which was inferred from diffusion modelling. The modelled cooling rates are fast (∼150 °C Myr−1 for the first two million years) for both locations and overlap with (1) the mineral
39Ar/40Ar ages determined by previous studies and (2) the thermal model reproducing the Western Adamello tonalite cooling path. After subtracting the cooling component
from the measured plagioclase core-mantle profiles, plagioclase residence times before rim crystallisation could be modelled and range from ∼20 to ∼110 kyr. Such timescales (∼104 - 105 yr) are similar to high-precision zircon ages from the Adamello batholith and other plutons, and probably represent the ideal time to form a thermally stable magma reservoir able to segregate interstitial melt.
Finally, in order to evaluate the volatile budget and its potential role in the crystal-melt segregation process, the volatile content of apatite has been documented. Apatite-biotite pairs have been measured and cooling rates were determined based on F and Cl zoning in apatite to demonstrate that volatile re-equilibration during cooling was limited and, therefore, that apatite can indeed be used to reconstruct the equilibrium melt volatile composition. Coupling apatite volatile content with the plagioclase hygrometer helped concluding that the parental tonalitic melt was H2O-saturated prior to apatite saturation. Based on partitioning and thermodynamic modelling, the melt and fluid volatile compositions as well as apatite crystallisation pressure could be inferred. Calculations of the average flux of fluid exsolution and the conditions required for diking and eruptions reveal that melt segregation in the Adamello batholith results from a combination of magma recharge and fluid-driven filter pressing.
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La différenciation des magmas intermédiaires à felsiques joue un rôle fondamental dans l’évolution des systèmes magmatiques, liant les réservoirs magmatiques à l’activité volcanique, l’exsolution de volatils et la formation de gisements métallogéniques. Cependant, la nature de ces relations est mal connue, principalement à cause de la faible abondance d’affleurements montrant des relations claires entre le réservoir magmatique en profondeur et le volcanisme de surface. Des études récentes traitant des processus et du temps nécessaire à la séparation entre cristaux et magma ont bénéficié de l’amélioration des techniques analytiques permettant (1) la datation de zircon à haute résolution et (2) l’analyse in situ des concentrations en éléments traces et volatils de minéraux et inclusions magmatiques. Les contraintes de temps déterminées à partir de la datation de zircon et de la modélisation de profils de diffusion sont utilisées afin de documenter le temps nécessaire à un réservoir magmatique d’accumuler du magma, tandis que déterminer les concentrations en éléments volatils permet de contraindre les propriétés physiques du magma et d’identifier la présence d’un fluide de faible densité. La modélisation de profils de diffusion et l’analyse des éléments volatils ont largement été employées dans des échantillons de roche volcanique du fait de l’absence de rééquilibre chimique lié au refroidissement, alors que son application dans les roches plutoniques est limitée.
Cette étude reconstruit l’évolution chimique et thermale suivie par les tonalites de Western Adamello et Re di Castello (batholithe de l’Adamello, Italie), des intrusions calco- alcalines Alpines formées durant la collision des plaques Européenne et Adriatique, dans le but de quantifier l’accumulation de cristaux et la séparation de magma et de calculer le temps nécessaire à ce processus. Dans ce cadre, une étude pétrographique a été réalisée et basée sur des observations détaillées de terrain et lames minces, des analyses chimiques en roche totale et des minéraux ainsi que des bilans de masse. Cela a permis la caractérisation d’une réaction péritectique consommant l’amphibole et formant de la biotite ainsi que la quantification de l’accumulation de cristaux et la séparation de magma. Enfin, les volumes calculés de magma ségrégués et extraits au sein de la tonalite de Western Adamello sont confrontés à la rareté du volcanisme Alpin.
La datation relative basée sur la diffusion d’éléments dans les minéraux requiert une connaissance solide des vitesses de diffusion des éléments. Bien que des coefficients de diffusion du Sr et Ba dans les plagioclases ont été déterminés dans le passé, des études expérimentales récentes ont démontré que la configuration utilisée dans ces études n’est probablement pas adéquate pour extraire des vitesses de diffusion. De nouvelles expériences ont été réalisées à partir de cristaux polis de plagioclase et de sources en éléments traces dont les assemblages minéralogiques et les compositions ont été déterminés au préalable. Les coefficients de diffusion du Sr et Ba sont similaires entre eux mais diffèrent de ceux des études précédentes respectivement d’un ordre de grandeur 2 et 0,5. Cette différence est expliquée par la présence de feldspath riche en Ba dans la source des études antérieures, alors qu’aucun silicate de Sr n’est présent dans les expériences de diffusion du Sr. Cela empêche l’incorporation du Sr dans le plagioclase et résulte plutôt en une réaction entre l’oxide de Sr et le plagioclase.
Les profils chimiques mesurés dans les minéraux des lithologies de Western Adamello et Re di Castello ont révélé (1) la présence d’une forte zonation en Sr et Ba entre cœurs et manteaux et entre manteaux et bordures des plagioclases, (2) une zonation en Ti à la bordure des quartz et (3) une zonation en Sr et Ba dans les feldspaths alcalins. Toutes ces observations, exceptée la zonation entre cœurs et manteaux des plagioclases, sont liées au refroidissement du pluton qui est quantifié à partir de la modélisation des profils de diffusion. Les vitesses de refroidissement modélisées sont rapides (∼150 °C Myr−1 pour les deux premiers millions d’années) pour les deux zones d’étude et co¨ıncident avec (1) les âges 39Ar/40Ar obtenus par différentes études et (2) le modèle thermique reproduisant le refroidissement de la tonalite de Western Adamello. Après le retrait de la composante de refroidissement aux profils cœurs-manteaux des plagioclases, les temps de résidence des plagioclases avant la cristallisation de la bordure ont été modélisés et sont compris entre ∼20 et ∼110 kyr. Ces temps (∼104-105 yr), similaires aux âges de haute précision mesurés sur des zircons provenant de l’Adamello et d’autres batholithes représentent probablement le temps idéal pour former un réservoir magmatique thermiquement stable et capable de ségréguer du magma interstitiel.
Enfin, afin d’évaluer les teneurs en volatils des systèmes tonalitiques et le rôle potentiel de ces éléments lors de la séparation entre cristaux et magma, les concentrations en volatils dans les apatites ont été déterminées. L’analyse de paires apatite-biotite et la préservation de zonations en F et Cl dans les apatites ont permis de démontrer que le rééquilibre des volatils pendant le refroidissement était limité et, par conséquent, que l’apatite peut être utilisée dans le but de calculer la composition en volatils du magma à l’équilibre. L’association entre la composition en volatils des apatites et l’hygromètre basé sur la composition des plagioclases permet de conclure que le magma tonalitique parent était saturé en H2O au moment de la saturation en apatite. A partir de coefficients de partage et de modélisation thermodynamique, la composition en volatils du magma et du fluide ainsi que la pression de cristallisation des apatites ont été déterminées. Le calcul du flux moyen d’exsolution de fluide ainsi que des conditions nécessaires pour le déclenchement d’éruptions révèlent que la ségrégation de magma dans le batholithe de l’Adamello résulte d’une combinaison entre réinjection de magma et cisaillement lié à l’exsolution de fluide.