Thèse en sciences de la Terre, soutenue le 17 mars 2025 par Maria Acero Ariza, rattachée à l’Institut des sciences la Terre (ISTE) de la FGSE.
Cette thèse se focalise sur les processus métamorphiques qui se produisent dans l’auréole de contact du complexe intrusif de Torres del Paine (TPIC) dans le sud de la Patagonie. Le TPIC, mis en place dans la croûte supérieure (~750 bars) entre 12,59 et 12,43 Ma, consiste en une intrusion bimodale :
- un laccolithe granitique felsique
- une série de sills mafiques sous-jacente.
Ces unités ont intrudé les métasédiments des formations de Cerro Toro et de Punta Barrosa, qui ont précédemment subi un métamorphisme régional de faciès anchizonal à schiste vert. Les métasédiments consistent en des séquences turbiditiques composées de pélites, de grès, de conglomérats et de couches carbonatées mineures.
La mise en place du TPIC a généré une fine auréole de contact, dont l’épaisseur varie de 400 m à la base à 150-200 m au sommet, qui est marquée par l’apparition de cordiérite et de biotite produites par la décomposition de la chlorite. En allant vers l’intrusion granitique, du feldspath alcalin se forme, ainsi qu’une seconde génération de cordiérite, alors que la muscovite disparaît. Les calculs d’équilibre de phases, basés sur les compositions en roche totale des métapélites, prédisent une décomposition de la chlorite et de la muscovite à 490ºC et 545ºC respectivement, pour une pression de 750 bars. L’apparence de ces réactions minérales par rapport au contact varie dans l’espace autour de l’auréole, influencée par l’épaisseur de l’intrusion granitique à différents endroits.
Cette thèse emploie les isogrades bien caractérisés de l’auréole de contact ainsi que les conditions thermiques connues de l’intrusion pour étudier trois processus métamorphiques clés :
- l’incorporation du Ti dans la biotite,
- la maturation des matériaux carbonés,
- la cinétique de croissance de la cordiérite.
Des échantillons prélevés le long de transects perpendiculaires à l’intrusion ont été analysés afin d’évaluer l’impact des différentes histoires thermiques sur ces processus.Les estimations de température basées sur les calculs d’équilibre de phases, en particulier les réactions de formation de la cordiérite et du feldspath alcalin, ont été utilisées pour calculer la température minimale à différentes distances de l’intrusion par interpolation entre les isogrades. Une variation significative de la teneur en Ti dans la biotite a été observée au sein de mêmes échantillons, ce qui suggère que l’équilibre n’a été atteint que localement. La variation de la teneur en Ti covarie avec la teneur en Al et augmente vers l’intrusion, démontrant une corrélation directe avec l’augmentation de la température, comme observée dans des études précédentes, et la diminution de la pression, la biotite plus proche du sommet de l’intrusion s’étant formée à des pressions inférieures d’environ 200 bars à celles de la biotite située à la base de l’intrusion. La dépendance de la solubilité du Ti en fonction de la pression, généralement observée à des pressions plus élevées (>6 kbar), a été documentée à des pressions inférieures à 1 kbar dans cette étude. Le mécanisme de substitution du Ti est passé d’un échange Ti-spinel à basse pression à des échanges Ti-oxy et de lacune ponctuelle à des pressions plus élevées. Un modèle intégrant la température, la pression et la teneur totale en Al a permis de reproduire avec succès les tendances observées de la concentration en Ti dans la biotite, mettant en évidence le comportement complexe de la solubilité du Ti dans des conditions de basse pression.
Pour étudier l’influence de l’histoire thermique sur la maturation des matériaux carbonés, un modèle thermique 2D de l’intrusion a été construit. Le modèle incorpore des histoires thermiques détaillées pour différentes zones, basées sur des isogrades et des estimations d’équilibre de phase. Les résultats ont montré que les températures prédites par le modèle correspondaient à celles attendues à partir des changements minéralogiques observés. La spectroscopie Raman des matières carbonées (RSCM) a été utilisée comme géothermomètre en raison de sa corrélation avec la température et de sa nature irréversible. Des spectres Raman ont été mesurés pour des échantillons prélevés à différentes distances de l’intrusion, et le rapport des bandes $R2=D1/D1+G$ a été utilisé pour estimer les températures.
Cependant, les températures RSCM étaient systématiquement inférieures à celles prédites par l’équilibre des phases et la modélisation thermique. Cet écart s’explique par le fait que la maturation des matériaux carbonés est contrôlée cinétiquement, en particulier dans les plutons qui refroidissent rapidement où les temps de refroidissement sont $<10^5$ ans. Dans ces conditions, les températures RSCM ne reflètent pas les conditions métamorphiques maximales. Le modèle thermique a été utilisé pour relier les divergences observées aux histoires thermiques, montrant que dans les plutons avec des taux de refroidissement plus rapides, la maturation est retardée par rapport aux augmentations de température. Un modèle basé sur la réflectance de la vitrinite qui décrit les premiers stades de maturation a été appliqué aux données et reproduit avec succès les rapports de bande D1/G observés.Ce modèle souligne l’importance de la prise en compte des états de maturation préexistants dans l’application de la thermométrie RSCM, bien qu’un affinement supplémentaire soit nécessaire.
Le modèle thermique a également été appliqué pour examiner les distributions de taille des porphyroblastes de cordiérite (RCSD) dans l’auréole. La comparaison des porphyroblastes de cordiérite a révélé qu’une augmentation rapide de la température favorisait une croissance contrôlée par la diffusion, tandis que les vitesses plus lentes favorisaient une croissance contrôlée par la nucléation.
Ces résultats soulignent l’importance des conditions thermiques locales dans la dynamique de croissance des cristaux de cordiérite. Un modèle intégrant la nucléation et la croissance contrôlée par la diffusion a été développé pour mieux comprendre ces mécanismes. Les résultats préliminaires suggèrent que l’équilibre pendant le métamorphisme était limité à de petits domaines autour de cristaux individuels, avec une nucléation accélérée et des coefficients de diffusion intergranulaires élevés limitant l’équilibre à des échelles localisées.Les trois processus étudiés dans cette thèse – l’incorporation de Ti dans la biotite, la maturation des matériaux carbonés et la croissance de la cordiérite – démontrent que l’auréole de contact du TPIC est marquée par des conditions de déséquilibre. La solubilité du Ti dans la biotite présente des conditions localement à l’équilibre, alors que la maturation des matériaux carbonés est cinétiquement contrôlée et la croissance de la cordiérite est localement à l’équilibre en raison d’une nucléation et d’une diffusion rapides. Ces résultats soulignent l’importance des processus de déséquilibre dans le métamorphisme de contact et mettent en évidence la nécessité de tenir compte de l’histoire thermique locale et de la cinétique des réactions lors de l’interprétation des systèmes métamorphiques.
