Quand la pluie piégée dans les inclusions fluides permet de reconstituer les paléoreliefs : Exemples des Alpes et de l'Himalaya

When rain trapped in fluid inclusions allows paleoreliefs to be reconstructed : Examples from the Alps and the Himalayas

• Auteur / Autrice : Raphael Melis
• Direction : Gweltaz Mahéo, Véronique Gardien
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre - geologie
• Date : Soutenance le 27/02/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (Lyon ; 2011-....) - Laboratoire de Géologie de Lyon - Terre- Planètes- Environnement / LGL-TPE
• Jury : Président / Présidente : Isabelle Daniel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gweltaz Mahéo, Véronique Gardien, Philippe Boulvais, Maria Iole Spalla, Stéphane Guillot, Magali Rossi, Vincent Godard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Boulvais, Maria Iole Spalla

Mots clés

Mots clés contrôlés

Alpes

Himalaya

Paléogéographie

Inclusions fluides

Hydrogène

Isotopes

Oxygène

Mots clés libres

Isotopes stables de l'oxygène et de l'hydrogène

Inclusions fluides

Paléo-altimétrie

Tectonique

Alpes

Himalaya

Zones de cisaillement

Veines de quartz

Oxygene and hydrogene stable isotopes

Fluid inclusions

Paleoaltimetry

Tectonic

Alps

Himalaya

Shear zones

Quartz veins

Résumé

La circulation de fluides au sein des différentes enveloppes terrestres est principalement abordée par l’analyse des isotopes stables de l’oxygène, de l’hydrogène et du carbone (δ18O, δD, δ13C). Ces mesures sont effectuées sur différents types d’archives géologiques en suivant différents protocoles expérimentaux ne permettant pas la plupart du temps la mesure directe de la composition du fluide lui-même. En effet, l’analyse du δ18O de certains minéraux comme le quartz et la calcite ou l’analyse du δD de minéraux hydroxylés comme les phylosilicates est utilisée pour calculer la composition isotopique du fluide théoriquement à l’équilibre avec ces minéraux au moment de leur cristallisation. Aujourd’hui, la seule méthode utilisée pour mesurer directement la composition isotopique des fluides crustaux consiste à mesurer le δD de toutes petites quantités de fluides piégées sous la forme d’inclusions fluides (IFs) dans du quartz au moment de leur croissance à plusieurs km de profondeur. La composition isotopique de l’oxygène est obtenue indirectement par une étape complexe de réequilibration avec du CO2 et calcul d’un bilan de masse. Un nouveau protocole expérimental permettant l’extraction de fluides aqueux contenus dans des inclusions fluides (IFs) piégées dans des quartz de veines et l’analyse simultannée de leur δ18O et de leur δD a été mis au point au Laboratoire de Géologie de Lyon en collaboration avec l’Institut des Sciences Analytiques de Villeurbanne. Ce protocol a été appliqué sur plus de 100 échantillons de quartz et testé sur une vingtaine de phylosilicates au cours de cette thèse, provenant de deux chaînes de montagnes emblématiques : les Alpes franco-italienne en Europe de l’Ouest et l’Himalaya en Asie. Dans les Alpes, un premier échantillonnage de fentes de quartz a été effectué dans des roches cristallines hercyniennes et sédimentaires du Carbonifère et du Mésozoïque des massifs cristallins externes (MCE) (Mont-Blanc, Aiguilles Rouges et Belledonne) et dans le massif du Chenaillet. Dans un second temps nous avons échantillonné des veines de quartz déformées de façon ductile dans des zones de cisaillement alpines telle que la shear zone du Mont-Blanc. En Himalaya, deux sites d’échantillonnage principaux ont été privilégiés, la vallée de la Kali Gandaki et le granite du Manaslu au centre du Népal ainsi que la klippe de Jajarkot située environ 100km au Sud-Ouest.). Nous nous sommes principalement concentrés sur l’échantillonnage de veines syn-cinématique ductiles disposées parallèlement et boudinées dans la foliation associée au fonctionnement du Main Central Thrust, ces veines contiennent parfois du disthène et du grenat. Les données obtenues indiquent une origine superficielle des fluides contenus dans les IFs pour l’ensemble des échantillons de quartz analysés au cours cette thèse. Nous avons testé la possibilité d’utiliser le δ18O et le δD des IFs pour reconstituer les paléo-reliefs des chaînes de montagne en se basant sur la relation aujourd’hui bien établie entre la composition isotopique des précipitations et l’effet orographique de la topographie. Dans les Alpes, nos données indiquent que l’altitude moyenne des MCE au Miocène était très inférieure à leur altitude actuelle (~1000m. En Himalaya, l’effet orographique de la haute chaîne sur la composition isotopique des précipitations actuelles se calque parfaitement au profil de la composition isotopique des paléo-eaux de surfaces piégées dans les IFs d’âge Miocène. Suggérant que la chaîne avait atteint son altitude et sa morphologie actuelle à cette période. L’utilisation systématique de cette méthode sur différents reliefs donne l’opportunité d’appréhender le rôle respectif et l’ampleur des paramètres de surfaces comme le climat et celui des forçages internes comme la tectonique dans l’édification d’un orogène.

The circulation of fluids within the different earth envelopes is mainly addressed by the analysis of stable isotopes of oxygen, hydrogen and carbon (δ18O, δD, δ13C). These measurements are performed on different types of geological archives following different experimental protocols that do not allow most of the time the direct measurement of the composition of the fluid itself. Indeed, the analysis of the δ18O of certain minerals such as quartz and calcite or the analysis of the δD of hydroxylated minerals such as phylosilicates is used to calculate the isotopic composition of the fluid theoretically in equilibrium with these minerals at the time of their crystallization. Today, the only method used to directly measure the isotopic composition of crustal fluids is to measure the δD of very small amounts of fluids trapped as fluid inclusions (FIs) in quartz as they grow at several km depth. The oxygen isotopic composition is obtained indirectly by a complex step of re-equilibration with CO2 and calculation of a mass balance. A new experimental protocol allowing the extraction of aqueous fluids contained in fluid inclusions (FIs) trapped in quartz veins and the simultaneous analysis of their δ18O and δD has been developed at the Laboratoire de Géologie de Lyon in collaboration with the Institut des Sciences Analytiques de Villeurbanne. This protocol has been applied on more than 100 quartz samples and tested on about twenty phylosilicates during this thesis, coming from two emblematic mountain ranges: the French-Italian Alps in Western Europe and the Himalayas in Asia. In the Alps, a first sampling of quartz cracks was carried out in hercynian and sedimentary crystalline rocks of the Carboniferous and Mesozoic of the external crystalline massifs (Mont-Blanc, Aiguilles Rouges and Belledonne) and in the Chenaillet massif. Secondly, we sampled ductilely deformed quartz veins in alpine shear zones such as the Mont Blanc shear zone. In the Himalayas, two main sampling sites were favored, the Kali Gandaki valley and the Manaslu granite in central Nepal and the Jajarkot klippe located about 100km to the southwest.) We focused mainly on sampling ductile syn-cinematic veins arranged in parallel and boudin in the foliation associated with the operation of the Main Central Thrust, these veins sometimes contain kyanite and garnet. The data obtained indicate a superficial origin of the fluids contained in the IFs for all the quartz samples analyzed during this thesis. We tested the possibility of using the δ18O and δD of the IFs to reconstruct the paleoreliefs of mountain ranges based on the now well-established relationship between the isotopic composition of precipitation and the orographic effect of topography. In the Alps, our data indicate that the mean altitude of the ECMs in the Miocene was much lower than their present altitude (~1000m. In the Himalayas, the orographic effect of the high range on the isotopic composition of present-day precipitation is perfectly matched to the isotopic composition profile of paleo-water surfaces trapped in Miocene-aged IFs. This suggests that the range had reached its present elevation and morphology by this time. The systematic use of this method on different landforms gives the opportunity to apprehend the respective role and magnitude of surface parameters such as climate and internal forcings such as tectonics in the building of an orogen.