Origin and growth of Alpine fissure minerals in the Western Swiss Alps: recording fluid flow during exhumation

Thèse soutenue par Eric May, le 16 décembre 2016, Institut des dynamiques de la surface terrestre (IDYST)

Ce travail de thèse s’est penché sur l’étude des veines tectoniques tardives dans les roches des Alpes suisses occidentales. Ces veines, aussi appelées « fentes alpines », « fours » ou encore « poches » renferment des cristaux aux formes parfaites qui depuis des siècles nourrissent les recherches des scientifiques et les convoitises des cristalliers.

Elles se forment à des profondeurs de l’ordre de 13 kilomètres lorsque les roches formant les Alpes sont exhumées et subissent une déformation cassante. Ce processus d’exhumation démarre au Miocène (environ – 23 millions d’années) et s’est poursuivi jusqu’à environ -5 millions d’années. La formation de ces veines résulte de la coïncidence entre déformation des roches et présence de fluides dans les roches. Les fluides contiennent, en solution, les ingrédients nécessaires à la formation des cristaux qui se déposeront dans les fractures produites par la déformation des roches. Les orientations des veines nous indiquent des comportements contrastés entre les différentes unités tectoniques étudiées et leur abondance dépend souvent de la présence de zones de cisaillement accommodant le raccourcissement.

Certains compartiments ont enregistré une extension verticale (massifs du Mont Blanc et des Aiguilles Rouges) ou perpendiculaire à l’arc alpin (synclinal Salvan-Dorénaz et Sion-Courmayeur). Les contraintes tectoniques qui ont formé ces fissures alpines ont affecté de manière différente les roches du socle et de la couverture. L’étude des textures des veines et des assemblages minéralogiques nous indique plusieurs phases d’ouvertures. Les veines précoces formées à partir de fluides métamorphiques en équilibre avec les roches encaissantes indiquent une ouverture à faible vitesse lorsque le quartz est très sursaturé dans les fluides minéralisateurs. En résulte une apparence massive.

Progressivement, à mesure que les roches s’exhument et donc refroidissent, la croissance du quartz ralenti, laissant apparaître des cristaux aux formes parfaites. L’apparition de la chlorite correspond généralement au moment où le quartz est appauvri dans le fluide et arrête sa croissance. La calcite apparaît généralement à la fin de la minéralisation, car elle recouvre les minéraux déjà présents dans la veine.

Dans la deuxième partie, l’analyse des compositions en isotopes stables (hydrogène, carbone et oxygène) des roches totales et des différents minéraux formant les assemblages minéralogiques a permis de déterminer les températures apparentes de formation ainsi que les compositions isotopiques originales des fluides minéralisateurs. Les températures de formation apparentes ont été calculées entre 395°C et 100°C en utilisant plusieurs paires de minéraux dont la texture indique une cristallisation contemporaine. Ce refroidissement correspond à une activité hydrothermale d’environ 6 millions d’années. Seules les compositions des fluides déduites des compositions de la calcite indiquent clairement la présence d’un fluide percolant depuis la surface dans les veines.

La troisième partie discute l’enregistrement de l’évolution du système à l’aide des compositions en isotopes stables et en éléments trace dans les cristaux de quartz durant leur croissance. Durant la majeure partie de sa croissance, le cristal enregistre une seule composition de fluide, mais, lors de la fin de sa croissance, c’est-à-dire dans des conditions plus froides, les fluides atteignent la veine de plusieurs origines comme indiqué par de grandes variations de compositions sur une courte durée. Suite à une première génération de quartz, un nouveau fluide avec une composition isotopique qui n’est pas en équilibre avec la roche directement au contact peut parvenir jusqu’à la veine.