Evolution pétrologique des séries volcaniques du massif de Talysh (Iran du NW) à la transition Caucase-Caspienne et implications géodynamiques

Petrological evolution and geodynamic reconstructions of volcanic units from the Talysh Massif (NW Iran) at the transition between Caucasus-and Caspian regions and geodynamic implications

• Auteur / Autrice : Shiva Alizadeh Noudeh
• Direction : Yann Rolland, Magali Rossi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences Terre, Univers et Environnement
• Date : Soutenance le 06/12/2024
• Etablissement(s) : Chambéry en cotutelle avec Shahid Beheshti University (Tehran)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences, ingénierie, environnement (Chambéry ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Environnements, dynamiques et territoires de la montagne (Le Bourget du Lac, Savoie ; 2003-....)
• Jury : Président / Présidente : Joseph Martinod
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carole Cordier, Robert Moritz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Véronique Gardien, Michel Grégoire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géochronologie

Géochimie

Roches volcaniques

Tâlech (Iran ; massif)

Magmatisme

Mots clés libres

Ceinture magmatique de l’Alborz

Massif de Talysh

Eocene

Magmatisme riche en K

Isotopes Sr-Nd-Pb-Hf

Datation Ar-Ar et U-Pb

Tectonique en subduction et décrochement

Alborz Magmatic Belt

Talysh Massif

Eocene

K-rich magmatism

Sr-Nd-Pb-Hf isotopes

Ar-Ar dating

U-Pb dating

Transcurrent and subduction tectonics

Résumé

Le magmatisme cénozoïque de la ceinture orogénique qui relie les zones tectoniques de l'Iran, du bloc arménien méridional (petit Caucase) et de la Turquie, reste un sujet de débat. Cette recherche se concentre sur l'épaisse succession géologique de roches volcaniques shoshonitiques calco-alcalines riches en K exposées dans le massif de Talysh, qui fait partie de la ceinture magmatique de l'Alborz, dans le nord-ouest de l'Iran. L'objectif de cette étude est d'étudier les roches volcaniques relativement peu étudiées du massif de Talysh afin de mieux contraindre le cadre géodynamique du magmatisme pendant la convergence régionale. Une étude complète incluant de nouvelles données de terrain, la chimie minérale, la géochimie des éléments majeurs et traces des roches totales, la composition isotopique (Sr, Nd, Pb, Hf), la géochronologie 40Ar-39Ar, et le zircon U-Pb. Cette montre une série magmatique de basaltes riches en olivine, basaltes à clinopyroxène-phyrique, basaltes à clinopyroxène-phyrique, basaltes à amphibole-phyrique, téphrites, trachy-andésites et roches pyroclastiques. Ils contiennent de multiples populations de cristaux : olivine, clinopyroxène, amphibole et phlogopite, avec des textures de rééquilibrage ainsi qu'une zonation oscillatoire et inverse complexe, des textures criblées et des textures de résorption, ce qui suggère que les magmas ont été stockés dans et différenciés dans des chambres magmatiques avec des réinjections successives avant l'éruption. En outre, les âges 40Ar-39Ar de la biotite et des amphiboles des basaltes et les âges U-Pb du zircon des roches pyroclastiques indiquent que l'activité volcanique s'est déroulée pendant ~ 10 Myr (49-38 Myr). L'enrichissement en LILE et l'appauvrissement en Nb, Ta et Ti sont des caractéristiques des laves de Talysh, qui présentent des caractéristiques géochimiques d'arc. Leurs compositions isotopiques varient : 87Sr/86Sr (i) de 0,7045 à 0,7066, ɛNd(i) de ~-2,2 à +1,7, et ɛHf(i) de -2,5 à +3,6. Les roches ont des compositions radiogéniques en plomb (206Pb/204Pb de 18,51 à 19,04, 207Pb/204Pb de 15,59 à 15,63, et 208Pb/204Pb de 38,67 à 39,15). Les éléments majeurs de la plupart des échantillons primitifs (MgO > 5 % en poids) sont comparables à ceux des fusions partielles à faible degré (4-9%) d'une lherzolite à grenat et spinelle avec des rapports grenat:spinelle de 40:60 à 20:80. Les résultats obtenus par géothermobarométrie clinopyroxène-liquide indiquent une variété de réservoirs magmatiques, allant de niveaux profonds (79-60 km) à des niveaux moins profonds (2 km). Les rapports isotopiques de Sr, Nd, Pb et Hf, ainsi que les profils similaires d'éléments traces incompatibles normalisés par la chondrite et par le manteau primitif, ainsi que les estimations thermobarométriques sur les cristaux d'olivine, de clinopyroxène et d'amphibole, suggèrent que la source mantellique est une source asthénosphérique enrichie et que de la croûte continentale a été mélangée au cours du processus de différenciation. Les données sont cohérentes avec la fusion partielle d'un manteau sous-continental à grenat modifié par subduction et les interactions avec un manteau à spinelle pendant l'ascension magmatique. La phase magmatique éocène pourrait avoir été déclenchée par une remontée de l'Asthénosphère liée au début de la subduction à pendage sud du bassin transcaucasien. L'ascension magmatique a probablement été facilitée par des failles décrochantes trans-lithosphériques mises en évidence par les données paléomagnétiques. Le passage d'une composante magmatique calco-alcaline à une composante magmatique plus alcaline avec le temps, du sud au nord du massif de Talysh, suggère un raidissement de la plaque en réponse à un retournement à l'Éocène supérieur. Après cette période, le volcanisme s'est arrêté dans le Talysh Sud et a considérablement diminué dans le massif du Talysh Nord, où il a évolué vers un magmatisme de type adakitique au cours du Miocène supérieur et du Quaternaire.

The Cenozoic magmatism of the Central Tethyan orogenic belt, which links the tectonic zones of Iran, the South Armenian Block (lesser Caucasus), and Turkey, remains a topic of debate. This research focuses on the thick geological succession of high-K calc-alkaline shoshonitic volcanic rocks exposed in the Talysh Massif, part of the Alborz magmatic belt, northwestern Iran. The aim of this study is to investigate the relatively unstudied volcanic rocks of the Talysh Massif to better constrain the geodynamic setting of magmatism during regional convergence. A comprehensive study including new field data, mineral chemistry, bulk-rock major and trace element geochemistry, isotope composition (Sr, Nd, Pb, Hf), geochronology 40Ar-39Ar, and zircon U-Pb. We classify them as olivine, clinopyroxene-phyric basalts, clinopyroxene-phyric basalts, amphibole-phyric basalts, tephrites, trachy-andesites, and pyroclastic rocks. They contain multiple crystal populations, including phenocrysts, antecrysts, and xenocrysts: olivine, clinopyroxene, amphibole, and re-equilibrium phlogopite, along with complex oscillatory and reverse zoning, sieve textures, and resorption textures, which suggests that the magmas stalled and differentiated in the crust prior to eruption. Olivine-clinopyroxene-phyric samples in the southern part of the study area exhibit olivine phenocrysts chemically balanced with their host rock, with a slight zoning from high-Mg# cores (Mg# = 90) to rims (Mg# = 80). Furthermore, the amphiboles, biotite 40Ar-39Ar ages of basalts, and zircon U-Pb ages of pyroclastic rocks indicate that volcanic activity took place for ~ 10 Myr (between 49 and 38 Myr). Enrichment in LILE and depletion in Nb, Ta, and Ti are characteristics of the Talysh lavas, which exhibit arc geochemical features. They have isotopic compositions that vary, for 87Sr/86Sr (i) from 0.7045 to 0.7066, for ɛNd(i) from ~-2.2 to +1.7, and ɛHf(i) from -2.5 to +3.6. The rocks have radiogenic lead 206Pb/204Pb ratios from 18.51 to 19.04, 207Pb/204Pb from 15.59 to 15.63, and 208Pb/204Pb from 38.67 to 39.15. The major elements of most primitive samples (MgO > 5 wt%) are comparable to those of melts obtained from low-degree (4–9%) partial melting of a spinel-garnet lherzolite with garnet:spinel ratios of 40:60 to 20:80. The results obtained from clinopyroxene-liquid geothermobarometry indicate a variety of magma reservoirs, ranging from deep levels (79–60 km) to shallower levels (2 km). The isotopic ratios of Sr, Nd, Pb, and Hf, as well as the similar chondrite-normalized REE and primitive-mantle-normalized incompatible trace element patterns along thermobarometry estimates on olivine, clinopyroxene, and amphibole crystals, suggests that the mantle source is an enriched asthenospheric source, and that continental crust was mixed in during the differentiation process. The data are consistent with the partial melting of a garnet-bearing subduction-modified subcontinental mantle and interactions with a spinel-bearing mantle during magmatic ascent. This magmatic flare-up could have been triggered by an asthenosphere upwelling related to the onset of south-dipping subduction of the Transcaucasus basin. Asthenosphere flow and magmatic ascent were likely facilitated by trans-lithospheric strike-slip faults and block rotations highlighted by paleomagnetic data. A transition from calc-alkaline towards a more alkaline magmatic component with time, from south to north of the Talysh massif, suggests a slab steepening in response to roll-back in the Late Eocene. After this period, volcanism stopped in the South Talysh and significantly decreased in the North Talysh massif, where it evolved into an adakitic-type magmatism during the Late Miocene and Quaternary.