Thèse soutenue par Katharina MARGER le 6 mars 2020, Institut des sciences de la Terre (ISTE)
Les analyses in-situ des rapports d’isotopes stables combinées à des études pétrologiques détaillées constituent un outil puissant pour mieux comprendre les processus régissant les réactions métamorphiques. Les nouvelles avancées en spectrométrie de masse à ions secondaires (SIMS) permettent d’effectuer des analyses de haute précision avec une haute résolution spatiale (< 1″5 prm).
Ainsi, cette thèse se concentre sur la détermination in-situ de la composition isotopique des minéraux zonés ainsi que de leurs inclusions dans les contextes de métamorphisme de contact (Little Cottonwood, Utah, USA) et régional (Mt. Rosa, Alpes d’Europe de l’Ouest).
L’intrusion de granodiorite de Little Cottonwood s’est mise en place dans des sédiments protérozoïques de la formation de Big Cottonwood, très riches en aluminium, produisant une auréole thermique d’environ 5 km de largeur. Les zones métamorphiques suivantes ont été cartographiées (par ordre croissant de degré de métamorphisme) :
- pyrophyllite-chlorite,
- chloritoïde-pyrophyllite,
- andalousite-chloritoïde,
- biotite-cordiérite,
- feldspath potassique,
- fibrolite-feldspath potassique.
L’andalousite est présente de façon continue dans ces roches riches en aluminium, sur une distance de 4,5 km, depuis l’isograde de l’andalousite, jusqu’au contact igné. Au moins trois textures différentes de croissance ont été identifiées dans l’andalousite, celles-ci indiquent qu’elle a été formée par plusieurs réactions métamorphiques se produisant sur une gamme de températures de 340 à 650 °C (estimées avec la méthode de thermométrie basée sur la spectroscopie Raman de la matière carbonée et du géothermomètre du titane dans la biotite).
La composition isotopique de l’oxygène de l’andalousite et du quartz (en inclusion dans l’andalousite et dans la matrice) a été mesurée dans un profil à travers l’auréole. Les données révèlent qu’aucun équilibre isotopique ne s’est produit en dessous d’environ 550 °C dans la roche, alors que l’équilibre est atteint à proximité de l’intrusion. L’andalousite est en effet réfractaire, tandis que le quartz échange potentiellement des isotopes. Il faut prendre soin d’évaluer pleinement l’équilibre si l’on utilise la thermométrie à isotopes stables.
La composition isotopique de l’oxygène de la tourmaline zonée provenant du métagranite, du métaleucogranite et du schiste blanc de la nappe du Mont Rose (Alpes de l’Ouest) a été étudiée par analyse SIMS. Le schiste blanc se présente sous forme de corps tubulaires de 10 à 50 m de large dans le granite permien du Mont Rose. La tourmaline fait partie de I’assemblage minéral phengitetalc-quartz-chloritoïde et est caractérisée par un coeur igné et une surcroissance dravitique (XMg > 0,9). Le coeur igné de la tourmaline du schiste blanc conserve sa signature chimique et isotopique de l’oxygène, il n’est pas modifié lors du métamorphisme régional à haute pression.
Par contre, la composition isotopique de l’oxygène a été modifiée dans les inclusions de quartz dans le coeur igné des tourmalines en raison de microfissures refermées. Ces inclusions de quartz présentent la même composition isotopique en oxygène que le quartz dans la matrice, ce qui démontre un rééquilibrage pendant le métamorphisme de haute pression.
L’étude montre que les protolithes des schistes blancs sont les roches méta-ignées environnantes et, par conséquent, résout la question très débattue sur le protolithe et la genèse des schistes blancs. Simultanément, il a été possible de prouver que l’altération chimique menant aux schistes blancs s’est produite avant le métamorphisme de haute pression, et est probablement d’origine hydrothermale tardive, pendant le refroidissement de l’intrusion permienne. La déshydratation de la serpentinite pendant la subduction, telle que proposée par d’autres auteurs, est peu probable.
Un aspect plus méthodologique de la thèse est le développement de matériaux de référence pour les mesures d’isotopes stables dans les silicates simples et complexes, qui permettent d’analyser avec fiabilité les minéraux métamorphiques étudiés ici. Cette thèse présente la calibration de l’analyse des isotopes de l’oxygène dans l’andalousite, utilisée dans l’étude du métamorphisme de contact. La tourmaline est un minéral chimiquement complexe, formant une large gamme de solutions solides.
Un ensemble de sept échantillons de tourmaline a été publié pour les compositions isotopiques de l’oxygène. Ils couvrent le domaine de composition de la plupart des tourmalines métamorphiques et de nombreuses tourmalines ignées : élbaïte – schorl – dravite. L’effet de la composition de la matrice sur le fractionnement de masse instrumental (FMI) s’est avéré être une fonction du Fe (apfu) sur la solution solide de schorl-dravite et de l’AI (apfu) du schorl ou de la dravite vers les compositions riches en Al. L’effet de matrice le plus important s’observe entre le schorl et la dravite. La reproductibilité analytique des matériaux de référence est généralement meilleure que ± 0.4‰ (2SD). Enfin, six échantillons de cet ensemble de matériaux de référence de base de tourmaline ont été étudiés pour des analyses isotopiques du bore. La reproductibilité analytique est en général meilleure que 0.3‰ à 0.6‰ (2SD) dans certains cas. Un FMI significatif dépendant de la matrice pour les isotopes du bore a été établi. ll s’agit d’une combinaison linéaire de FeO+MnO, SiO2 et F (% en poids).
Dans le cadre de ce projet, les quatre matériaux de référence connus et utilisés pour les analyses d’isotopes du bore ont été réévalués. Des divergences ont été constatées entre les compositions isotopiques du bore en bulk publiées précédemment et le delta118 obtenu dans le cadre de cette étude. Les comparaisons avec les études précédentes suggèrent que les trois matériaux de référence de Harvard largement utilisés pourraient être légèrement hétérogènes (L – 2‰).
Cependant, la possibilité d’un biais analytique dû aux différentes méthodes appliquées dans cette étude et antérieurement ne peut pas être exclue et nécessite une évaluation plus approfondie par comparaison avec différents laboratoires. Cet ensemble de matériaux de référence de base de tourmaline pour l’analyse des isotopes du bore a été utilisé pour l’étude de cas des schistes blancs du Mont Rose, dont il a été question plus haut. Les résultats indiquent que les isotopes du bore dans la tourmaline constitue en effet un traceur très intéressant.
