Processus de fusion partielle et différenciation crustale : nouvelles contraintes apportées par l'étude des minéraux accessoires et le système isotopique Sm-Nd

Partial melting processes and crustal differentiation : new constrainsts from the study of accessory minerals and the Sm-Nd isotopic system

• Auteur / Autrice : Theo Biget
• Direction : Maud Boyet, Emilie Bruand
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Structure et évolution de la terre et des autres planètes
• Date : Soutenance en 2024
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Fondamentales
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Magmas et Volcans
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : GEOCHIMIE
• Jury : Président / Présidente : Bruno Dhuime
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maud Boyet, Stéphanie Duchene, Valérie Bosse, Oscar Laurent, Emilie Bruand
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bruno Dhuime, Stéphanie Duchene

Mots clés

Mots clés libres

Croûte continentale

Différenciation crustale

Phases accessoires

Granites

Migmatites

Système isotopique Sm-Nd

Continental crust

Crustal differentiation

Accessory minerals

Granites

Migmatites

Sm-Nd isotopic system

Résumé

La croûte continentale Phanérozoïque se forme principalement au niveau des zones de subduction. Son évolution au cours des temps géologiques est étroitement liée à la production de granites qui est appréhendée au travers deux grands paradigmes : (1) différenciation d'un magma mafique issu de la fusion partielle du manteau (essentiellement en contexte d'arcs) ; (2) fusion d'une croûte préexistante. Si le premier modèle contribue à la croissance crustale par l'addition de nouveau matériel, le second s'inscrit dans une dynamique de recyclage et mène à une différenciation intracrustale. Une combinaison de ces deux modèles explique bien souvent la diversité des granitoïdes suivant les contextes géodynamiques, même si la contribution crustale et mantellique est souvent difficilement quantifiable. Cette thèse vise à étudier cette différenciation intracrustale, du processus de fusion partielle jusqu'à la mise en place des granitoïdes par le biais des minéraux accessoires (e.g. apatite, titanite, monazite, allanite). Ces derniers, qui représentent moins de 1 % de la composition minéralogique modale des roches magmatiques et métamorphiques, incorporent néanmoins une quantité importante d'éléments incompatibles dont les terres rares (REE) et en particulier le Nd. Le développement récent des analyses isotopiques Sm-Nd in-situ sur ce type de minéraux offre de nouvelles perspectives dans la compréhension de ces processus crustaux qui sont explorés dans cette thèse. Le comportement chimique et isotopique des phases accessoires lors du métamorphisme prograde et de l'anatexie à bas degré (<700 °C) a tout d'abord été investigué dans un prisme d'accrétion d'âge Crétacé supérieur à Paléogène (Chugach Metamorphic Complex, Alaska). Le CMC présente une séquence sédimentaire pélito-greywackeuse qui a subi un épisode métamorphique BP-HT de courte durée (<5 Ma) avec une anatexie en condition water-saturated à ~700 °C. Les résultats montrent que la chimie de l'apatite et de la monazite est particulièrement sensible à la composition de la roche totale et à l'augmentation de la température le long du gradient métamorphique. La concentration en HREE-Y et l'intensité de l'anomalie en Eu dans ces deux minéraux apparaissent ainsi comme de bons proxys pour tracer les changements de température et la fusion partielle. De plus, les compositions isotopiques en Nd de la monazite, de l'allanite et de la roche totale sont homogènes à partir de 550 °C, impliquant un équilibre du système isotopique Sm-Nd au cours de l'anatexie. Une deuxième étude de cas permet d'explorer plus finement le processus de différenciation intracrustale par l'étude d'une section de croûte basculée en Calabre (Italie du Sud), d'âge essentiellement varisque mettant à l'affleurement : 1) les roches de croûte inférieure partiellement fondues et 2) les granitoïdes formant le batholite de la Serre, mis en place pendant la phase d'effondrement post-orogénique vers 300-290 Ma. L'étude des roches de croûte inférieure qui ont subi une anatexie prolongée (>30 Ma) jusqu'en condition biotite breakdown (T jusqu'à 900 °C) montre de fortes hétérogénéités isotopiques du système Sm-Nd à différentes échelles (affleurement, roche totale et minéral), qui sont liées à l'histoire géologique complexe de cette croûte mature exposant des lithologies d'âges et de nature différente. A contrario, les compositions isotopiques en Nd des granitoïdes sont homogènes avec des signatures crustales (εNd290 Ma ~-7). Nous montrons que cette homogénéisation a lieu dans une zone de transition de 1-2 km d'épaisseur (Migmatitic Border Zone) située entre la croûte inférieure et la croûte moyenne, dans laquelle des magmas mafiques et felsiques s'hybrident préférentiellement. L'étude isotopique à l'échelle du grain de certaines roches mafiques de cette zone montre également la présence d'un composant mantellique dont la contribution pourrait être sous-estimée dans la pétrogenèse des magmas post-collisionnels.

The Phanerozoic continental crust is mainly formed at subduction zones. Its evolution over geological time is closely linked to the production of granites, which is envisioned through two major paradigms: (1) the differentiation of a mafic magma resulting from the partial melting of the mantle (mainly in arc context); (2) the melting of a pre-existing crust. While the first model contributes to crustal growth by the addition of new material, the second is based on reworking processes and leads to intracrustal differentiation. A combination of these two models often explains the diversity of granitoids, even if the crustal and mantle contribution is often difficult to quantify. This thesis aims to study this intracrustal differentiation, from the partial melting process to the emplacement of granitoids through accessory minerals (e.g. apatite, titanite, monazite, allanite). The latter, which represent less than 1 % of the modal mineralogical composition of igneous and metamorphic rocks, incorporate nevertheless a significant amount of incompatible elements, including rare earths elements (REE) and in particular Nd. The recent development of in-situ Sm-Nd isotopic analyses on this type of mineral offers new perspectives in the understanding of these crustal processes, which are explored in this thesis. The chemical and isotopic behavior of accessory phases during prograde metamorphism and low-grade anatexis (<700 °C) was first investigated by a case study on the Chugach Metamorphic Complex (CMC) in Alaska developed in a late Cretaceous to Paleogene accretionary prism. The CMC exposes a pelite-greywacke sedimentary sequence that underwent a short-lived LP-HT metamorphic episode (<5 Myrs) with anatexis in water-saturated conditions at ~700 °C. The results show that the chemistry of apatite and monazite is particularly sensitive to the whole-rock composition and to the temperature increase along the metamorphic gradient. The HREE-Y concentration and the intensity of the Eu anomaly in these two minerals appear as good proxies to track temperature changes and the partial melting process in a pelitic with the presence of xenotime. In addition, the Nd isotopic compositions of monazite, allanite and whole-rock are homogeneous from 550 °C, implying an equilibrium of the Sm-Nd isotopic system during anatexis. A second case study allows exploring more finely the process of intracrustal differentiation by the study of a tilted Variscan crustal section in Calabria (Southern Italy) which exposes: 1) partially melted lower crustal rocks and 2) granitoids forming the Serre batholith, emplaced during the post-orogenic collapse phase at 300-290 Ma. The study of the lower crustal rocks that underwent protracted anatexis (>30 Myrs) up to biotite breakdown conditions (T up to 900 °C) shows strong isotopic heterogeneities of the Sm-Nd system at different scales (outcrop, whole-rock and mineral), which are linked to the complex geological history of this mature crust, exposing lithologies of different ages and nature. In contrast, the Nd isotopic compositions of the granitoids are homogeneous with crustal signatures (εNd290 Ma ~-7). We show that this homogenisation occurs in a 1-2 km thick transition zone (Migmatitic Border Zone) located between the lower and middle crust, in which mafic and felsic magmas preferentially hybridise. The grain-scale isotopic study of some mafic rocks of this zone also shows the presence of a mantle component whose contribution is likely underestimated in the petrogenesis of these post-collisional magmas.