ORIGIN AND GROWTH OF ALPINE FISSURE MINERALS IN THE WESTERN SWISS ALPS: RECORDING FLUID FLOW DURING EXHUMATION

Détails

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ID Serval
serval:BIB_E07FF642D26C
Type
Thèse: thèse de doctorat.
Collection
Publications
Titre
ORIGIN AND GROWTH OF ALPINE FISSURE MINERALS IN THE WESTERN SWISS ALPS: RECORDING FLUID FLOW DURING EXHUMATION
Auteur(s)
MAY ERIC
Directeur(s)
Vennemann Torsten W.
Institution
Université de Lausanne, Faculté des géosciences et de l'environnement
Adresse
Faculté des géosciences et de l'environnement
Université de Lausanne
CH-1015 Lausanne
SUISSE

Statut éditorial
Acceptée
Date de publication
2016
Langue
anglais
Résumé
Ce travail de thèse s'est penché sur l'étude des veines tectoniques tardives dans les roches des Alpes suisses occidentales. Ces veines, aussi appelées "fentes alpines", "fours" ou encore "poches" renferment des cristaux aux formes parfaites qui depuis des siècles nourrissent les recherches des scientifiques et les convoitises des cristalliers. Elles se forment à des profondeurs de l'ordre de 13 kilomètres lorsque les roches formant les Alpes sont exhumées et subissent une déformation cassante. Ce processus d'exhumation démarre au Miocène (environ - 23 millions d'années) et s'est poursuivit jusqu'à environ -5 millions d'années. La formation de ces veines résulte de la coïncidence entre déformation des roches et présence de fluides dans les roches. Les fluides contiennent, en solution, les ingrédients nécessaires à la formation des cristaux qui se déposeront dans les fractures produites par la déformation des roches. Les orientations des veines nous indiquent des comportements contrastés entre les différentes unités tectoniques étudiées et leur abondance dépend souvent de la présence de zones de cisaillement accommodant le raccourcissement. Certains compartiments ont enregistré une extension verticale (massifs du Mont Blanc et des Aiguilles Rouges) ou perpendiculaire à l'arc alpin (synclinal Salvan-Dorénaz et Sion-Courmayeur). Les contraintes tectoniques qui ont formé ces fissures alpines ont affecté de manière différente les roches du socle et de la couverture. L'étude des textures des veines et des assemblages minéralogiques nous indique plusieurs phases d'ouvertures. Les veines précoces formées à partir de fluides métamorphiques en équilibre avec les roches encaissantes indiquent une ouverture à faible vitesse lorsque le quartz est très sursaturé dans les fluides minéralisateurs. En résulte une apparence massive. Progressivement, à mesure que les roches s'exhument et donc refroidissent, la croissance du quartz ralenti, laissant apparaître des cristaux aux formes parfaites. L'apparition de la chlorite correspond généralement au moment où le quartz est appauvri dans le fluide et arrête sa croissance. La calcite apparaît généralement à la fin de la minéralisation, car elle recouvre les minéraux déjà présents dans la veine. Dans la deuxième partie, l'analyse des compositions en isotopes stables (hydrogène, carbone et oxygène) des roches totales et des différents minéraux formant les assemblages minéralogiques a permis de déterminer les températures apparentes de formation ainsi que les compositions isotopiques originales des fluides minéralisateurs. Les températures de formation apparentes ont été calculées entre 395°C et 100°C en utilisant plusieurs paires de minéraux dont la texture indique une cristallisation contemporaine. Ce refroidissement correspond à une activité hydrothermale d'environ 6 millions d'années. Seules les compositions des fluides déduites des compositions de la calcite indiquent clairement la présence d'un fluide percolant depuis la surface dans les veines. La troisième partie discute l'enregistrement de l'évolution du système à l'aide des compositions en isotopes stables et en éléments trace dans les cristaux de quartz durant leur croissance. Durant la majeure partie de sa croissance, le cristal enregistre une seule composition de fluide, mais, lors de la fin de sa croissance, c'est-à-dire dans-des conditions plus froides, les fluides atteignent la veine de plusieurs origines comme indiqué par de grandes variations de compositions sur une courte durée. Suite à une première génération de quartz, un nouveau fluide avec une composition isotopique qui n'est pas en équilibre avec la roche directement au contact peut parvenir jusqu'à la veine.
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Post peak-metamorphic rétrogradé extensional veins are formed during uplift of a rock pile in response to crustal thickening during the Neoalpine phase. The veins record a contrasted response to the général SE-NW shortening. In the lower tectonic units (Mont Blanc and Aiguilles Rouges massifs) they are constrained by steeply dipping rétrogradé shear-zones affecting crustal rocks and recording vertical extension. In the cover rocks they recorded orogen-perpendicular extension. Veins formed in the Mont Chemin area appear to record dextral transpressive displacement along the Rhône-Simplon fault line, which does not affect the Penninic domain though. Textural and mineralogical observations on the studied Alpine fissures support an initial slow opening rate and a quartz supersaturated fluid of local origin. Progressive cooling and increasingly brittle behaviour facilitâtes advection of fluids of exteraal origin, which have less fluid-rock interactions and a lower quartz concentration. Tectonic control on fluid flow is evidenced by the presence of multiple générations of quartz and the presence of low-temperature minerais such as zeolites close to shear-zones. Those crustal discontinuités acted as conduits and remained tectonically active for an extended period of time. Stable isotope analyses of whole rocks, host-rock quartz and the différent minerais in vein indicate that mineralizing fluids evolved from rock-buffered fluids to fluids in isotopic disequilibrium with host-rock. Those fluids coincide with the précipitation of amethyst, clay minerais, calcite and zeolites in the veins. Apparent equilibrium temperatures range from circa 390°C down to 100°C. Quartz-hematite, quartz-adularia and quartz-albite pairs record the highest apparent equilibrium temperatures. Chemical thermometry on chlorite indicate formation temperatures between 370 and 250°C. It is deduced that they do not form only due to a temperature decrease but most probably appear when quartz starts to be less saturated in the fluid. Apparent temperatures of quartz-carbonates assemblages in crustal rocks indicate that carbonates are not in equilibrium with other vein minerais and their isotopic composition advocates that they precipitate from an externally derived fluid or from fluid mixing. Isotopic zonation in calcite recorded several puises of fluids with contrasted isotopic compositions. In-situ stable isotope measurements in quartz do not indicate sector zoning but recorded fluids that were not in equilibrium with host-rock during the last stages of growth. However, trace element growth and sector zoning in quartz suggest a control of relative concentration by differential sector growth rates. Despite relatively constant oxygen isotope compositions, indicating isotopic equilibrium with the host-rock, trace element variations of up to three orders of magnitude are recorded in crystals. These variations were not controlled by fluid composition or temperature variations and therefore are attributed to fluid pressure variations, which can be large in the brittle domain and influence pH and précipitation rates. Sector and growth zoning of titanium concentrations was measured and cannot be attributed to temperature variations in a generally cooling system, therefore, absolute and relative growth rate of the différent crystallographic domains must be considered. This has an implication on titanium-in-quartz thermometry accuracy.
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Les veines extensives post-métamorphiques trouvées dans les Alpes se forment lors de l'exhumation et de la transition ductile-cassant lors de la collision continentale durant la phase "néo-Alpine". Elles enregistrent des réponses contrastées au raccourcissement général SE - NW. Dans les roches crustales du massif du Mont-Blanc et des Aiguilles- Rouges, elles indiquent une extension verticale et sont liées a des zones de cisaillement alors que dans les roches de couvertures elles indiquent une extension perpendiculaire à l'allongement de l'arc alpin et sont contemporaines de la dernière déformation ductile. Les veines formées dans la zone du Mont Chemin dans le massif du Mont Blanc semblent être en lien avec le mouvement dextre de la faille Rhône-Simplon qui cependant n'influence pas les veines du Pennique et de la couverture Helvétique. Les observations des textures des veines et des successions minéralogiques indiquent que, d'une ouverture lente avec la présence d'un fluide fortement sursaturé en silice, un progressif refroidissement et une déformation plus cassante coïncident avec l'apparition d'autres espèces nécessitant l'advection de fluide externes (améthyste, carbonates et zéolites). Ceci est particulièrement évident dans les roches de la croûte qui sont proches de zones de cisaillement rétrogrades qui ont servis de conduits pour les fluides externes. L'analyse isotopique des roches totales, des quartz de la roche encaissante et des différents minéraux présents dans les veines indique elle aussi l'évolution progressive d'un système fermé où les fluides en équilibre dérivent directement de la roche encaissante vers un système ouvert où les fluides ne sont plus en équilibre avec la roche encaissante. Les températures apparentes de formation des différentes paires de minéraux varient entre 390 et 100°C. Les assemblages de quartz-hématite, quartz-adulaire et quartz-albite enregistrent les températures les plus élevées. La thermométrie chimique des chlorite indique des températures de formation entre 370 et 250°C ce qui semble indiquer que son apparition dans la veine n'est pas contraint que par la température mais qu'elles apparaissent généralement lorsque le fluide est proche d'une sous-saturation en silice. Les températures d'équilibre obtenues à partir de l'assemblage quartz-carbonate semblent irréaliste et indique une formation hors équilibre. La formation des carbonates est généralement tardive et enregistre plusieurs compositions de fluides, certainement d'origine externe. Les analyses in-situ de la zonation des isotopes stables de l'oxygène n'ont pas révélé de zonation sectorielle mais enregistre l'arrivée de fluide en équilibre avec d'autres roches vers la fin de la cristallisation du quartz. Les zonations de croissance et sectorielle des éléments trace mesurés in-situ dans le quartz indiquent un contrôle de la vitesse de croissance sur la zonation sectorielle mais que d'autres processus doivent expliquer la zonation de croissance. Alors que les analyses isotopiques n'indiquent aucun changement de température ou de composition de fluide, les concentrations en éléments traces varient jusqu'à trois ordres de grandeur. Ceci peut s'expliquer par une variation plus importante des pressions fluides dans un régime cassant qui peut influer sur le pH et ainsi la spéciation de l'aluminium dans le fluide. La zonation concentrique et sectorielle des concentrations du titane doit être pris en compte lors de l'utilisation du géothermomètre du titane dans le quartz.

Création de la notice
07/06/2017 12:44
Dernière modification de la notice
20/08/2019 17:04
Données d'usage