The metamorphic and anatectic history of Archaean metapelitic granulites from the South Marginal Zone, Limpopo Belt, South Africa

par Gautier Nicoli

Thèse de doctorat en Géologie

Sous la direction de Jean-François Moyen et de Gary Stevens.

Soutenue le 20-04-2015

à Saint-Etienne en cotutelle avec l'University of Stellenbosch , dans le cadre de École doctorale Sciences Ingénierie Santé (Saint-Etienne) , en partenariat avec Laboratoire Magmas et Volcans (laboratoire) .

Le président du jury était Stéphanie Duchêne.

Le jury était composé de Jean-François Moyen, Gary Stevens, Lucie Tajcmanova, Mark Caddick, Véronique Gardien.

  • Titre traduit

    Etude du métamorphisme et des mécanismes d’anatexie dans les métasédiments granulitiques de la Zone Marginale Sud de la ceinture du Limpopo, Afrique du Sud


  • Résumé

    Les processus d’anatéxie représentent la première étape dans la genèse des granites. La fusion partielle de la croûte inférieure peut produire des structures leucocrates à signatures chimiques particulières, très différentes. Par conséquent le lien qui existe entre certaines migmatites et les granites crûstaux peut être ambigu. Ce projet de thèse est une étude de l’évolution des processus d’anatexie au sein des métapelites de la formation de Bandelierkop dans le Zone Marginale Sud de la Ceinture du Limpopo en Afrique du Sud. Ce travail comprend une étude complête du métamorphisme, de la géochimie et de la géochronologie des paragneiss granulitiques de deux carrières dans la zone nord de la Zone Marginal Sud, la carrière de Bandelierkop et la carrière de Brakspruit, où la fusion partielle d’une croûte néoarchéenne peut être observée. Le projet a pour but de répondre à deux problématiques principales: (1) contraindre de manière précise les conditions et l’âge de l’épisode métamorphique de la Zone Marginale Sud, avec ce que cela implique pour la géodynamique archéenne, (2) comprendre les réactions de fusion partielle en absence de fluide et leur contrôle sur la chimie des migmatites et le liens qui existent entre les leucosomes, la source, le liquide de fusion et les granites de type S. Les informations P-T-t enregistrées dans les métapelites de la formation de Bandelierkop, contraintes par des diagrammes d’équilibre de phase ainsi que de la géochronologie sur zircon, donnent une idée sur les processus de différentiation crustale dans la croûte inférieure. Les roches des deux carrières enregistrent les conditions de pic de métamorphisme de 840-860 oC et 9-11 kbar a c. 2.71 Ga. Cet épisode est accompagné d’une production importante de leucosome (L1). Des leucosomes de seconde génération (L2) sont produits pendant la décompression à 6-7 kbar. La fin de l’épisode métamorphique est marquée par la transition granulites/amphibolites (< 640 oC) à c. 2.68 Ga. L’âge de dépôt maximum (c. 2.73 Ga) des zircons détritiques dans les métapelites indique un enfouissement rapide ( 0.17 cm.y-1). L’ensemble de ces données montre que la Zone Marginale Sud contient des sédiments déposés dans des conditions de marge active durant un phénomène de convergence. Les métapelites ont par conséquent subi leur métamorphisme et leur fusion partielle durant une collision continentale le long de la marge nord du craton du Kaapvaal à c. 2.7 Ga. Les formations leucocrates générées le long du trajet P-T-t possèdent une signature géochimique spécifique caractérisée par une teneur en K2O et FeO+MgO faible et une teneur élevée en CaO. La combinaison des observations de terrains, de la cartographie chimique et des analyses géochimiques permet de conclure que la majeure partie des leucosomes (L1) cristallisent avant le pic de métamorphisme après extraction du liquide de la source. En s’appuyant sur le laboratoire naturel qu’est la Zone Marginale Sud et utilisant une approche modélisatrice, cette étude présente les détails de la formation des leucosomes. Ce travail démontre que la formation de leucosomes pauvres en potassium dans les sédiments de la croûte inférieure et les processus qui contrôlent la chimie du résidu et des granites de type S sont les différences des volumes d’équilibration et l’hétérogénéité de la source couplées avec des pertes de liquide et diffusion de l’eau dans les structures d’anatexies


  • Résumé

    Anatexis is the first step in granite genesis. Partial melting in the lower crust may produce leucoratic features of unusual chemical compositions, very different from the final products of crustal differentiation. Therefore, the links that exists between some migmatites and crustal-derived granites can be ambiguous. This study is an investigation of the anatectic history of a high-grade terrain: the Southern Marginal Zone of the Limpopo Belt (SMZ), north to the Kaapvaal Craton in South Africa. The work involved an integrated field, metamorphic, geochemical and geochronogical study of the metasedimentary granulites from two separate quarries in the northern zone of the Southern Marginal Zone, the Bandelierkop quarry and the Brakspruit quarry, where Neoarchean high-grade partial melting features can be observed. The project has aimed to address two main issues: (1) to accurately constrain the pressure temperature conditions and the age of the metamorphic episode in the SMZ, with implication for the geodynamic processes near the end of the Archean, (2) to investigate the fluid-absent partial melting reactions that control formation of K2O-poor leucosomes and to understand the chemical relationships in the system source-leucosome-melt–S-type granite. The P-T-t record retained in the Bandelierkop Formation metapelites, constrained by phase equilibria modelling as well as zircon LA-ICP-MS geochronology, gives an insight into crustal differentiation processes in the lower crust. Rocks in both quarries indicate high-temperature metamorphism episodes with peak conditions of 840-860 oC and 9-11 kbar at c. 2.71 Ga with formation of leucosomes (L1) during the prograde path. Minor leucocratic features (L2) were produced during decompression to 6-7 kbar. The end of the metamorphic event is marked by the granulites/amphibolites facies transition (< 640 oC) at c. 2.68 Ga. The maximum deposit age for the detrital zircons in the metapelites (c. 2.73 Ga) indicates a rapid burial process ( 0.17 cm.y-1). Those evidences strongly support that the Southern Marginal Zone contains sediments deposited in an active margin during convergence, and that the metapelites were metamorphosed and partially melted as a consequence of continental collision along the northern margin of the Kaapvaal Craton at c. 2.7 Ga. The leucocratic features generated along this P-T-t path display an unusual chemistry with low K2O and FeO+MgO content and high CaO content. The combination of field observations, chemical mapping and geochemical analyses leads to the conclusion the major part of the leucosomes (L1) crystallized prior to syn-peak of metamorphism concurrent with melt extraction from the source. This study documents the details of leucosomes formation using field observations in the Southern Marginal Zone and numerical modelling. This work demonstrates that the formation of K2O-poor leucosome in the metasedimentary lower crust is controlled by the difference in volume of equilibration and heterogeneities within the migmatites. The partial melting of the source coupled with melt loss and water diffusivity within the melt transfer site is a potential mechanism to explain the chemical link in the system residuum–melt–S-type granite


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