Dynamiques des fluides et des métaux dans les systèmes magmatiques-hydrothermaux à métaux rares : cas du granite peralumineux de Beauvoir (Massif central)

Fluid and metal dynamics in rare-metal magmatic-hydrothermal systems : the case of the peraluminous Beauvoir granite (Massif Central, France)

• Auteur / Autrice : Océane Rocher
• Direction : Julien Mercadier, Antonin Richard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 02/04/2025
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GeoRessources
• Jury : Président / Présidente : Anne-Sylvie André-Mayer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Mercadier, Antonin Richard, Valérie Bosse, Philippe Muchez, Cyril Chelle-Michou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Valérie Bosse, Philippe Muchez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Inclusions fluides

Allier (France)

Leucogranite

Phréatomagmatisme

Métaux des terres rares

Dynamique des fluides

Mots clés libres

Système magmatique-hydrothermal

Métaux rares

Dynamiques de circulation fluides

Minéraux traceurs

Inclusions fluides

Magmatic-Hydrothermal systems

Rare metals

Fluid dynamics

Tracer minerals

Fluid inclusions

Résumé

Les systèmes magmatiques-hydrothermaux à métaux rares se développent généralement en relation avec l'intrusion de magmas felsiques fortement différenciés dans la croûte continentale supérieure. Ces magmas sont extrêmement enrichis en métaux lithophiles et halogènes tels que Li, F, Ta, Nb, Sn, W et Be, et leur évolution résulte d'une succession complexe de processus magmatiques et hydrothermaux, dont l'impact et l'importance relative demeurent encore débattus. La présente thèse se propose d'apporter des éléments de réponse à ces questions en étudiant l'histoire magmatique et hydrothermale du granite de Beauvoir, un granite peralumineux à métaux rares riche en phosphore (PHP-RMG), de classe mondiale, mis en place à la fin de l'orogenèse varisque dans le Massif central (France). Cette étude repose sur l'analyse in-situ élémentaire (majeurs et traces) et des isotopes d'oxygène de l'apatite et du quartz, ainsi que sur la caractérisation des inclusions fluides par microthermométrie, spectrométrie Raman et LA-ICP-MS. La pétrographie et la géochronologie U-Pb de l'apatite révèlent quatre grandes phases magmatiques et hydrothermales, s'étendant de la cristallisation du magma, induisant une phase hydrothermale précoce, à deux phases hydrothermales tardives, non magmatiques, induites par l'activité tectonique régionale. La phase hydrothermale précoce, initiée par la dévolatilisation du liquide silicaté, apparaît comme une étape clé dans l'évolution du système de Beauvoir, où les processus magmatiques et hydrothermaux s'entremêlent. Cette transition magmatique-hydrothermale a été enregistrée à la fois dans la distribution des terres rares de l'apatite magmatique, la signature isotopique du quartz de l'unité B1, et le piégeage d'inclusions fluides et magmatiques primaires au sein du quartz. Cette influence marquée de la transition magmatique-hydrothermale sur la cristallisation de l'unité B1 s'est traduite par une augmentation de l'état d'oxydation du système, le rendant plus propice à la formation d'une première génération de cassitérite (SnO₂), la libération de fluides magmatiques riches en métaux, la résorption partielle des phénocristaux de quartz, suivie de la cristallisation tardive de quartz à texture snowball au sein d'un liquide silicaté résiduel, enrichi en volatiles. Bien que la circulation de ces fluides magmatiques exsolvés ait significativement mobilisé les métaux vers les roches encaissantes, leur volume semble insuffisant pour expliquer les halos d'altération observés, notamment dans les micaschistes. Cela suggère une dynamique supra-solidus en système ouvert, marquée par l'infiltration significative de fluides magmatiques profonds. L'existence d'un tel système ouvert en conditions sub-solidus est mise en évidence par la signature isotopique en oxygène, de la chimie de l'apatite hydrothermale précoce et la composition des inclusions fluides identifiées dans le quartz magmatique. Ces données suggèrent une évolution progressive des fluides magmatiques exsolvés, marquée par des dynamiques d'ébullition, de refroidissement et surtout par leur interaction et mélange avec des fluides météoriques oxydants, l'ensemble de ces processus ayant favorisé la précipitation d'une seconde génération de cassitérite, bien que cette dernière soit mineure. Cette étude enrichit non seulement la compréhension du système de Beauvoir, mais apporte également des éléments clés au modèle génétique des systèmes magmatiques-hydrothermaux à métaux rares. Elle démontre de l'importance des dynamiques en système ouvert, tant lors des processus supra- que sub-solidus, et suggère des mécanismes de circulations fluides et de transport de métaux similaires à ceux des systèmes porphyres-épithermaux, bien que les volumes de magmas et de fluides impliqués soient considérablement plus faibles.

Rare-metal magmatic-hydrothermal systems typically develop in association with the intrusion of highly differentiated felsic magmas into the upper continental crust. These magmas present exceptional enrichment in lithophile metals and halogens (e.g., Li, F, Ta, Nb, Sn, W, and Be) and evolve through a complex interplay of magmatic and hydrothermal processes, the relative importance and impact of which are still debated. This thesis aims to address these questions by investigating the magmatic and hydrothermal history of the Beauvoir granite, a world-class, highly-phosphorus, peraluminous rare-metal granite (PHP-RMG) emplaced during the late stages of the Variscan orogeny in the French Massif Central. The study combines in-situ analysis of major and trace elements, oxygen isotopes in apatite and quartz, as well as fluid inclusion characterisation through microthermometry, Raman spectroscopy, and LA-ICP-MS. Petrographic and U-Pb geochronological analysis of apatite reveals four major magmatic and hydrothermal phases, spanning from the crystallisation of the magma to an early hydrothermal phase, followed by two late-stage, non-magmatic hydrothermal events driven by regional tectonic activity. The early hydrothermal phase, initiated by magma devolatilisation, constitutes a critical point in the Beauvoir system's evolution, where magmatic and hydrothermal processes are intertwined. This magmatic-hydrothermal transition is recorded in the rare earth element distribution of magmatic apatite, the isotopic signature of quartz from the B1 unit, and the entrapment of primary melt and magmatic fluid inclusions within quartz. The pronounced influence of this transition on crystallisation in unit B1 is reflected in an increase in the system's oxidation state, promoting the formation of the first cassiterite (SnO₂) generation, the release of metal-rich magmatic fluids, and partial resorption of quartz phenocrysts, followed by late-stage snowball-textured quartz crystallising from a residual, volatile-enriched melt. While the circulation of exsolved magmatic fluids significantly mobilised metals into the surrounding rocks, the volume of fluids seems insufficient to explain the observed alteration halos, especially within the host mica schists. This suggests an open-system dynamic at the supra-solidus stage, with deep magmatic fluids significantly infiltrating the system. The existence of such open-system behaviour under sub-solidus conditions is confirmed by the oxygen isotopic signature and chemistry of the early hydrothermal apatite, and the composition of fluid inclusions hosted within magmatic quartz. These findings suggest a progressive evolution of exsolved magmatic fluids, characterised by boiling, cooling dynamics, and notably their interaction and mixing with oxidising meteoric fluids. Collectively, these processes favoured the precipitation of a second, albeit minor, cassiterite generation. This study not only enhances the understanding of the Beauvoir system but also provides key insights into the genetic models of rare-metal magmatic-hydrothermal systems. It demonstrates the significance of open-system dynamics during both supra- to sub-solidus processes and suggests that fluid circulation and metal transport mechanisms in these systems are analogous to those in porphyry-epithermal systems, albeit with much smaller magma and fluid volumes.