Les rodingites des Carpathes occidentales : minéralogie et géochimie

Rodingites in the Western Carpathians : mineralogy and geochemistry

• Auteur / Autrice : Juraj Butek
• Direction : Stéphanie Duchêne, Ján Spišiak
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et des Planètes solides
• Date : Soutenance le 30/08/2022
• Etablissement(s) : Toulouse 3 en cotutelle avec Univerzita Mateja Bela (Banská Bystrica, Slovaquie). Filozofická fakulta
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences Environnement Toulouse (2011-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Stéphanie Duchêne, Ján Spišiak, Michel Grégoire, Stefan Ferenc, Alessandra Montanini
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laurent Truche, Monika Huraiová

Mots clés

Mots clés contrôlés

Serpentinite

Roches -- Analyse

Carpates

Métasomatisme

Mots clés libres

Rodingitisation

Altération hydrothermale

Carpates occidentales

Modélisation thermodynamique

Rodingitisation

Hydrothermal alteration

Western Carpathians

Thermodynamic modelling

Résumé

La rodingite est une roche métasomatique particulière se présentant sous forme de dykes ou lentilles en association avec des roches ultramafiques serpentinisées. Elle est typiquement constituée de minéraux silicatés riches en Ca comme le grenat, le diopside, la vésuvianite, la chlorite, l'epidote-zoisite ou la préhnite. La composition chimique est caractérisée par une forte teneur en CaO et de basses teneurs en SiO2, Na2O et K2O. Les rodingites ont été récemment reconnues comme une source d'information, en complément des serpentinites, sur la composition des fluides et leur circulation dans la lithosphère océanique, dans les domaines en accrétion ou en subduction. Néanmoins, la nature des protolithes, la composition chimique et l'origine des fluides qui produisent les rodingites, les détails sur les interactions fluide roche, et le contexte métamorphique restent souvent irrésolus. L'objectif de cette étude est d'aborder ces questions dans le cas des rodingites des Carpathes Occidentales. Dans les Carpathes Occidentales, les rodingites se trouvent en association avec des corps ultramafiques intensivement serpentinisés. Ces serpentinites sont généralement associées avec des séquences sédimentaires triassiques ou des métasediments carbonifères et le débat sur leur âge et leur origine tectonique reste ouvert. Une étude pétrographique, minéralogique et géochimique détaillée sur des rodingites provenant de deux localités des Carpathes (Bôrček et Dobšiná) est présentée avec le but de comprendre leur genèse et leur évolution. L'assemblage minéral dans les rodingites de Bôrček est constitué de vésuvianite, diopside, grenat et chlorite avec de l'épidote, de la calcite et des oxides de Fe-Ti en phases accessoires. Cette minéralogie, ainsi que la composition roche totale caractérisée par une haute teneur en CaO et une basse teneur en SiO2, indique une altération hydrothermale intense. Trois paragenèses de cristallisation des minéraux majeurs ont été identifiées: 1) diopside, vésuvianite et grenat, 2 ) titanite et une deuxième génération de vésuvianite et grenat et 3) epidote, chlorite et calcite. La composition en éléments majeurs et trace et les teneurs en élements des terres rares caractérisées par une forte positive anomalie en Eu indiquent un protolithe gabbroïque. De plus, les échantillons riches en oxides de Fe-Ti dérivent d'un gabbro ferrotitané. Les oxides (rutile et ilménite), documentent une évolution hydrothermale-métamorphique complexe. La datation U-Pb in-situ du rutile donne un âge de 102.6 ± 19.9 Ma qui probablement indique l'événement de rodingitisation majeur et la serpentinisation lors du métamorphisme régional alpin au Crétacé. Les rodingites de Dobšiná sont caractérisées par une évolution minéralogique similaire et sont constituées de grenat hydraté, vésuvianite, diopside et chlorite. Les modèles thermométriques appliqués à la chlorite indiquent une température de cristallisation autour 265°C. Les rodingites des Carpathes Occidentales représentent donc des roches riches en vésuvianite qui ont été formées à partir de roches mafiques au Crétacé dans un environnement actif de l'orogenèse alpine, soit dans le fond océanique soit dans le prisme d'accrétion. Une modélisation géochimique montre qu'un système ouvert avec afflux d'un grand volume de fluide hydrothermal exprimé par un rapport fluide/roche élevé est nécessaire pour la transformation d'un gabbro en une rodingite à vésuvianite. La transformation progressive est caractérisée par la diminution du rapport Si/Ca dans la roche. Le degré de transformation représente le contrôle majeur de la diversité des assemblages minéraux observés dans la nature. Le processus de rodingitisation est entrainé par les fluides de serpentinisation hyperalcalins et réducteurs, qui ne sont pas particulièrement riches en Ca mais doivent être impérativement dépourvus de Si, Mg et S.

Rodingite represents a particular metasomatic rock type that occurs as dykes or lenses in association with serpentinized ultramafic rocks and typically consists of Ca-rich, commonly hydrated silicate minerals such as garnet, diopside, vesuvianite, chlorite, epidote-zoisite, prehnite and others. It is chemically characterized by high CaO and low SiO2, Na2O and K2O contents. The formation of rodingites is directly connected to the serpentinization process and takes place in ocean floor or subduction setting. Rodingites have been recognized as a source of information, complementary to serpentinites, on fluid compositions and their circulation in both ocean floor and subduction environments. Yet, the nature of rodingite protoliths, the chemistry and the origin of hydrothermal fluids inducing the rodingite formation, the details of fluid-rock interactions, and the metamorphic contexts remain often obscure. The aim of this work is to investigate these questions in the case of rodingites from the Western Carpathians, which have not yet been investigated in detail. In the Western Carpathians, rodingite occurrences are associated with tectonically dismembered bodies of serpentinized ultramafic rocks. These serpentinites are typically associated with Triassic carbonate sediments or Carboniferous metasediments, and their age and tectonic provenance are commonly unclear. Detailed petrographic, mineralogical and geochemical investigation of two rodingite occurrences (Bôrček and Dobšiná) are presented to shed light on their genesis and evolution. The specific mineral association and composition of rodingites from Bôrček characterized by dominant presence of vesuvianite, diopside, garnet and chlorite with minor epidote, calcite and Fe-Ti oxides, together with whole rock chemistry characterized by high CaO and low SiO2 contents, reflect a high extent of hydrothermal alteration. Different stages of mineral crystallization were recognized: 1) diopside, vesuvianite and garnet; 2) titanite and second generations of vesuvianite and garnet; and 3) epidote, chlorite and calcite. The whole rock and mineral REE contents marked by prevailing positive Eu anomaly indicate a plagioclase-rich gabbroic protolith. Moreover, Fe-Ti rich samples presumably result from alteration of a Fe-Ti rich gabbro. Fe-Ti oxides, namely rutile and ilmenite, document complex hydrothermal-metamorphic evolution. In situ U-Pb dating of rutile yields a crystallization age of 102.6 ± 19.9 Ma, which presumably indicates the main rodingitization (and serpentinization) event occurring during the alpine peak metamorphism in the Cretaceous. Rodingites from Dobšiná are characterized by a similar mineral evolution and composition dominated by hydrated garnet, vesuvianite, diopside and chlorite. Chlorite thermometry models suggest a crystallization temperature around 265°C. In conclusion, rodingites from the Western Carpathians represent vesuvianite-rich intensively metasomatized mafic rocks formed during the Cretaceous in the active setting of the Alpine orogen, either in the ocean floor or in the accretionary prism. Geochemical modelling indicates that an open hydrothermal system with high fluid influx expressed by high water-rock ratio is required for the transformation of gabbro into vesuvianite-rich rodingite. The progressive transformation is characterized by significant decrease in Si-Ca ratio in the rock. The variable extent of transformation represents the main control on mineral diversity in rodingites worldwide. The rodingitization process is driven by hyperalkaline and reducing serpentinization fluids, which have not to be particularly rich in Ca, but they are necessarily devoid of Si, Mg and sulphur.