Petrochronology of monazite and zircon in ultra-high temperature granulite from Rogaland, Norway Antonin Laurent
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Antonin Laurent. Petrochronology of monazite and zircon in ultra-high temperature granulite from Rogaland, Norway. Earth Sciences. Université Paul Sabatier - Toulouse III, 2016. English. NNT : 2016TOU30290. tel-01686377
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%0$503"5%&-6/*7&34*5²%&506-064& %ÏMJWSÏQBS Université Toulouse 3 Paul Sabatier (UT3 Paul Sabatier)
1SÏTFOUÏFFUTPVUFOVFQBS Antonin LAURENT le mardi 8 novembre 2016 5JUSF
Étude pétrologique et chronométrique (U–Th–Pb) de la monazite et du zircon dans les granulites de ultra-haute température du Rogaland, Norvège
²DPMF EPDUPSBMF et discipline ou spécialité ED SDU2E : Sciences de la Terre et des Planètes Solides
6OJUÏEFSFDIFSDIF Géosciences Environnement Toulouse – UMR 5563
%JSFDUFVSUSJDF T EFʾÒTF Mme Stéphanie Duchene (Directrice) Mme Anne-Magali Seydoux-Guillaume (Co-directrice) M. Bernard Bingen (Co-encadrant) Jury :
M. Philippe GONCALVES Maître de conférences Rapporteur M. Simon HARLEY Professeur des universités Rapporteur M. Fernando CORFU Professeur des universités Examinateur M. Jean-Marc MONTEL Professeur des universités Examinateur M. Olivier VANDERHAEGHE Professeur des universités Président du jury Mme Valérie BOSSE Maître de conférences Invitée
2
Sommaire
Sommaire ...... 3
Liste des figures ...... 8
Liste des tableaux ...... 12
Liste des annexes ...... 14
Introduction Générale ...... 15 Définitions et causes du métamorphisme de UHT ...... 19 Assemblages minéralogiques et relations de phase ...... 19 Modélisation thermodynamique ...... 21 Les chemins P–T et leur signification géodynamique ...... 23 Durée du métamorphisme de UHT ...... 24 Lier le temps à la température dans les granulites ...... 25 La mesure du temps dans les granulites ...... 27 Principe de la géochronologie ...... 27 Comportement du zircon et de la monazite ...... 29 Enjeux pour les ressources naturelles stratégiques ...... 31 Problématique et plan de l’étude ...... 32 Références ...... 33
Chapitre 1 ...... 47 Overview of the Sveconorwegian orogeny and Mesoproterozoic evolution of Rogaland, S-Norway ...... 47 Résumé ...... 49 Framework of Rodinia assembly ...... 51 The Sveconorwegian orogeny ...... 52 1280–1150 Ma time interval (pre-Sveconorwegian) ...... 53 1150–1080 Ma time interval (Arendal phase) ...... 54 1050–1030 Ma time interval (Agder phase) ...... 55 1030–1000 Ma time interval (Agder phase) ...... 56 990–970 Ma time interval (Falkenberg phase) ...... 57 970–950 Ma time interval (Dalane phase) ...... 57 950–920 Ma time interval (Dalane phase) ...... 58 Tectono-magmatic evolution of Rogaland ...... 59 Magmatism ...... 59 Metamorphism ...... 62 References ...... 64 Tables ...... 70
3 Chapitre 2 ...... 73 Sulphate incorporation in monazite lattice and dating the cycle of sulphur in metamorphic belts ...... 73 Résumé ...... 75 Abstract ...... 76 Introduction ...... 77 Monazite crystal chemistry ...... 78 Geological background ...... 79 Analytical methods ...... 79 Monazite zoning and micro-chemistry ...... 79 Monazite U–Th–Pb geochronology ...... 82 Transmission electron microscopic (TEM) imaging ...... 83 Results ...... 84 Sample petrology ...... 84 Monazite texture, composition and inclusions ...... 85 Nano-characterization of monazite by TEM ...... 90 U–Th–Pb geochronology ...... 90 Discussion ...... 94 Mechanism of S incorporation in monazite ...... 94 Significance of S-rich monazite ...... 95 Metasomatic replacement of S-rich monazite ...... 96 Dating S mobility in metamorphic belts ...... 98 Conclusion ...... 99 Acknowledgement ...... 100 References ...... 100 Tables ...... 109 Supplementary materials ...... 124
Chapitre 3 ...... 129 Two cycles of ultra-high temperature metamorphism in Rogaland, S. Norway: critical evidence from monazite Y-thermometry & U–Pb geochronology ...... 129 Résumé ...... 131 Abstract ...... 132 Introduction ...... 133 Geological setting...... 134 Methods ...... 137 Micro-chemistry ...... 137 U–Th–Pb geochronology ...... 137 Mineral composition and phase equilibria modelling ...... 139 Monazite–xenotime Y and REE thermometry ...... 140 Microstructures, petrography and mineral compositions ...... 140 Orthopyroxene zone ...... 141 Osumilite zone ...... 143 Pigeonite zone ...... 146 Phase equilibria modelling and textural interpretation ...... 147 Orthopyroxene zone ...... 147 Osumilite zone ...... 149 Pigeonite zone ...... 151
4
Monazite–xenotime chemistry and monazite U–Th–Pb geochronology ...... 152 Orthopyroxene zone ...... 152 Osumilite zone ...... 154 Pigeonite zone ...... 158 Discussion ...... 160 A monazite based temperature–time path ...... 160 Two phases of UHT metamorphism ...... 162 Conclusion ...... 165 References ...... 165 Tables ...... 172 Supplementary material ...... 202 S3-1 ...... 202 S3-2 ...... 207 S3-3 ...... 211 S3-4 ...... 213 S3-5 ...... 217 S3-6 ...... 225
Chapitre 4...... 233 The fate of zircon during polyphase granulite facies metamorphism in Rogaland, South Norway ...... 233 Résumé ...... 235 Abstract ...... 236 Introduction ...... 237 Geological setting...... 238 Analytical methods ...... 239 U–Th–Pb geochronology ...... 239 Chemical micro-analyses ...... 239 Scanning ion imaging ...... 240 Samples background ...... 242 Results ...... 245 Zircon zoning and microchemistry ...... 245 Zircon U–Pb geochronology ...... 249 Comparing monazite and zircon age record through time and space ...... 254 Zircon oxygen isotopes ...... 256 Scanning ion Imaging ...... 257 Discussion ...... 258 Response of O isotopes ...... 258 Processes of zircon U–Pb partial resetting ...... 258 Insight from Pb distribution ...... 261 Tracking melt-present conditions in slow granulite ...... 261 Conclusion ...... 263 References ...... 263 Tables ...... 268 Supplementary material ...... 284 S4-1 ...... 284 S4-2: Phase equilibria modelling for sample ALR 13-69 ...... 285 S4-3: Monazite chemistry and U–Th–Pb geochronology for sample ALR 13-69 ...... 291
5 Chapitre 5 ...... 297 Discussion of temperature time evolution of Rogaland and plausible heat sources for UHT metamorphism ...... 297 Résumé ...... 299 Abstract ...... 300 Introduction ...... 301 Models for UHT metamorphism ...... 301 P–T–t–D paths of the Rogaland ...... 303 Geometrical relationships ...... 303 Significance of the Opx-isograd ...... 306 Timing of deformation and vertical movement ...... 307 Interplay between magmatism and metamorphism ...... 308 Timescale of AMC emplacement ...... 308 Synthetic T–t diagram deduced from metamorphic rocks ...... 310 Interplay between magmatism and metamorphism ...... 311 Radiogenic heat production of the crust ...... 313 Whole rock geochemistry ...... 313 Redistribution of U and Th ...... 313 Geodynamic speculation and conclusion ...... 315 References ...... 317 Tables ...... 323 Supplementary materials ...... 329 S5-1 ...... 329 S5-2 ...... 333
Conclusion et perspectives ...... 337 Apports à la compréhension du comportement de la monazite au cours du métamorphisme de UHT ...... 340 Apports à la compréhension du comportement du zircon au cours du métamorphisme de UHT ...... 341 L’évolution du Rogaland et causes du métamorphisme de UHT ...... 339 La monazite : traceur des minéralisations ? ...... 342 Perspectives ...... 342 Références ...... 344
Remerciements ...... 348
Abstract ...... 348
Résumé ...... 348
6
7 Liste des figures
Introduction
Fig. I–1 : Photographies d’assemblages minéraux de UHT du Rogaland ------19 Fig. I–2 : Grille pétrogénétique dans le système KFMASH ------20 Fig. I–3 : Exemple d’échelle pertinente pour l’acquisition d’une zone de mico-composition chimique par carte EDS ------22 Fig. I–4 : Diagrammes P–T montrant les chemins suivis par différentes localités de UHT ------23 Fig. I–5 : Diagramme illustrant schématiquement six types d’évolution température–temps (T–t) lors du métamorphisme de ultra-haute température ------24 Fig. I–6 : Carte de composition en Y et âge des différentes zones d’un grain de monazite extrait d’une granulite felsique ------26 Fig. I–7 : Schéma illustrant le comportement du zircon lors d’un épisode de métamorphisme granulitique ------27 Fig. I–8 : Cartographies WDS de la composition chimique (Si–Ca–Th–Y) d’un grain de monazite extrait de gneiss alumineux de UHT du Rogaland (Norvège) ------29 Fig. I–9 : Diagrammes concordia de zircons magmatiques Archéens (2.67 Ga) ayant subi un métamorphisme d’impact à 2.02 Ga (Cratère de Vredefort) ------30
Chapitre 1
Fig. 1–1 : Laurentia–Baltica–Amazonia reconstruction at around 600 Ma ------51 Fig. 1–2 : Map of southern Norway and Sweden ------52 Fig. 1–3 : Cumulative probability plot of geochronological data on magmatic events in the five main lithotectonic units ------53 Fig. 1–4 : Sketchmap showing the distribution of magmatic rocks and intramontane sedimentary basins between 1280–1150 Ma ------54 Fig. 1–5 : Sketchmap showing the distribution of magmatic rocks, sedimentary basins and metamorphic rocks between 1150–1080 Ma ------55 Fig. 1–6 : Sketchmap showing the distribution of magmatic rocks, sedimentary basins and metamorphic rocks between 1050–1030 Ma ------56 Fig. 1–7 : Sketchmap showing the distribution of magmatic rocks, sedimentary basins and metamorphic rocks between 1030–1000 Ma ------56 8
Fig. 1–8 : Sketchmap showing the distribution of magmatic rock and metamorphic rocks at 990 Ma and P–T diagram showing quantitative estimates of metamorphism ------57 Fig. 1–9 : Sketchmap showing the distribution of magmatic rock and metamorphic rocks between 970–950 Ma ------57 Fig. 1–10 : Sketchmap showing the distribution of magmatic rocks and metamorphic rocks between 950–920 Ma and P–T diagram showing quantitative estimates of metamorphism 58
Fig. 1–11 : Nd vs time for Mesoproterozoic magmatism in the Telemarkia domain------59 Fig. 1–12 : Geological maps of the Rogaland domain ------61 Fig. 1–13 : Compilation of P–T estimates in the Rogaland domain ------63 Fig. 1–14 : Selected in-situ U–Pb zircon ages ------63
Chapitre 2
Fig. 2–1 : Simplified geological map of Rogaland-Vest Agder ------80 Fig. 2–2 : Scans of the S K region performed with WDS using a LPET crystal within S-rich monazite core (D1) ------81 Fig. 2–3: Petrography of the osumilite-bearing granulite sample ------85 Fig. 2–4: Chemical zoning of monazite crystal 1029-17 ------87
Fig. 2–5: Chemical profile in SO2, CaO, and SiO2 collected by EPMA across monazite crystal 1029-17 ------87 Fig. 2–6 : Binary compositional diagram for monazite ------88 Fig. 2–7 : Ternary compositional diagram (mol. %) for monazite ------88 Fig. 2–8 : Chondrite normalized REE pattern (Boynton 1984) for monazite ------88 Fig. 2–9 : Transmitted light microphotograph of solid and fluid inclusions ------89 Fig. 2–10 : Images and chemical profile of the FIB foil cut in S-rich monazite core D1 and in the S-bearing D2 monazite ------92 Fig. 2–11 : U–Pb data of monazite ------93 Fig. 2–12 : Weighted-histogram representation of monazite EPMA U–Th–Pb data ------95 Fig. 2–13 Isothermal phase diagrams in the Fe–O–S–Si chemical system ------96
Chapitre 3
Fig. 3–1 : Geological maps ------135
9 Fig. 3–2 : Outcrop photographs and field relationships ------142 Fig. 3–3 : Microstructure and parageneses of samples ALR 13-64, ALR 13-05, ALR 13-06, ALR 13-08 ------144 Fig. 3–4 : Microstructure and paragenesis of samples ALR 13-22 and ALR 13-58 ------146 Fig. 3–5 : P–T pseudosection generated with Perple_X 6.7.2 for sample ALR 13-64, ALR 13-05, ALR 13-06, ALR 13-22 ------148 Fig. 3–6 : P–T pseudosection generated with Perple_X 6.7.2 for sample ALR 13-58 ------151 Fig. 3–7 : Monazite micro-chemistry and geochronology for sample ALR 13-64 ------153 Fig. 3–8 : Monazite U-Pb geochronology for sample ALR 14-19 in Tera-Waserburg diagram 154 Fig. 3–9 : Monazite micro-chemistry and geochronology for sample ALR 13-05, ALR 13-06 155 Fig. 3–10 : Monazite–xenotime–zircon textural relationships, micro-chemistry and geochronology for sample ALR 13-22 ------158 Fig. 3–11 : Monazite texture and micro-chemistry for sample ALR 13-58 ------159 Fig. 3–12 : Weighted-histogram representation of monazite EPMA U–Th–Pb data for sample ALR 13-58 ------160 Fig. 3–13 : Temperature–time evolution of the samples in the osumilite-zone constrained by Y-in- monazite thermometry ------161 Fig. 3–14 : Synthetic P–T diagram for osumilite- and pigeonite-zone samples ------163
Chapitre 4
Fig. 4–1: Geological maps ------241 Fig. 4–2 : Zircon cathodoluminescence images ------245 Fig. 4–3 : Binary U–Th plot of zircon SIMS analytical spots ------247 Fig. 4–4 : Rare earth element pattern normalized to chondrite ------249 Fig. 4–5 : Zircon U–Pb geochronology ------250–251 Fig. 4–6 : Maximum radiation damage accumulated by zircon crystals ------253 Fig. 4–7 : Zircon and monazite U–Pb age record and Ti-in-zircon thermometry along the thermal gradient ------255 Fig. 4–8 : 18O diagram of zircon in-situ analyses ------257 Fig. 4–9: Patchy Pb distribution in sample ALR 14-19 ------258 Fig. 4–10: Three step process to explain the occurrence of inverse age zoning in zircon ------260
10
Chapitre 5
Fig. 5–1: Geological maps ------304 Fig. 5–2: Geological cross section and fields relationships ------306 Fig. 5–3: Rock slab photograph for sample ALR 14-11 ------306 Fig. 5–4: Monazite BSE zoning, U–Pb geochronology and microchemistry for sample ALR 13-61 ------309 Fig. 5–5: Zircon texture and U-Pb geochronology for sample ALR 13-61 ------310 Fig. 5–6: Synthetic Temperature-time diagram ------311 Fig. 5–7: Calculated phase diagram for the metagreywacke composition contoured with monazite solubility ------314 Fig. 5–8: Orogen building modes in time and space ------315
11 Liste des tableaux
Introduction
Tab. 1 : Sample set sorted by sample name------41 Chapitre 1
Tab. 1 : Compilation of published geochronological data on igneous and metamorphic events
in Rogaland area------70
Chapitre 2
Tab. 1 : EPMA chemical analysis of monazite crystals------109
Tab. 2 : LA–ICP–MS chemical analysis of the full suite of REE and selected trace elements --
------116
Tab. 3 : U–Th–Pb istotpic ratio and age measured by LA–ICP–MS------117
Tab. 4 : U–Th–Pb abundance and age measured by EPMA------121
Chapitre 3
Tab. 1 : Whole rock chemical composition used for modelling and measured composition--172
Tab. 2 : EPMA monazite microchemistry for sample ALR 13-22 ------173
Tab. 3 : EPMA monazite microchemistry for sample ALR 13-64 ------178
Tab. 4 : LA–ICP–MS monazite U–Th–Pb data for sample ALR 13-64------181
Tab. 5 : LA–ICP–MS monazite U–Th–Pb data for sample ALR 14-19------183
Tab. 6 : EPMA monazite microchemistry for sample ALR 13-05------185
Tab. 7 : LA–ICP–MS monazite U–Th–Pb data for sample ALR 13-05------188
Tab. 8 : EPMA monazite microchemistry for sample ALR 13-06------190
Tab. 9 : LA–ICP–MS monazite U–Th–Pb data for sample ALR 13-06------194
Tab. 10 : LA–ICP–MS monazite U–Th–Pb data for sample ALR 13-22------196
Tab. 11 : EPMA monazite microchemistry for sample ALR 13-58------198
12
Tab. 12 : EPMA monazite U–Th–Pb dating for sample ALR 13-58------201
Chapitre 4
Tab. 1 : LA–ICP–MS trace elements analysis of selected zircon grains------268
Tab. 2 : SIMS zircons U–Th–Pb data for sample ALR 13-69------272
Tab. 3 : SIMS zircons U–Th–Pb data for sample ALR 14-19------274
Tab. 4 : SIMS zircons U–Th–Pb data for sample ALR 13-22------276
Tab. 5 : SIMS zircons U–Th–Pb data for sample ALR 13-05------278
Tab. 6 : SIMS zircons U–Th–Pb data for sample ALR 13-58------280
Chapitre 5
Tab. 1 : LA–ICP–MS monazite U–Th–Pb data for sample ALR 13-61------323
Tab. 2 : SIMS zircons U–Th–Pb data for sample ALR 13-61------324
Tab 3 : Major- and trace-elements whole-rock chemical analysis for garnetiferous migmatites-
------326
Tab. 4 : Overview of heat production potential (H) at 1 Ga of the different lithologies of
Rogaland------328
13 Liste des annexes
Chapitre 2
Supplementary material 2-1 : EDS maps of polymineralic inclusions------124
Chapitre 3
Supplementary material 3-1 : Representative EPMA analyses of garnet, spinel, biotite, cordierite, feldspar in sample ALR 13-64------202 Supplementary material 3-2 : Representative EPMA analyses of orthopyroxene, garnet, biotite, cordierite in sample ALR 13-05------207 Supplementary material 3-3 : Representative EPMA analyses of garnet, spinel, cordierite, sillimanite in sample ALR 13-06------211 Supplementary material 3-4 : Representative EPMA analyses of orthopyroxene, sapphirine, spinel, cordierite, biotite in sample ALR 13-22------213 Supplementary material 3-5 : Representative EPMA analyses of orthopyroxene, garnet, spinel, osumilite, cordierite, biotite, feldspar and quartz in sample ALR 13-58------217 Supplementary material 3-6 : Representative EPMA analyses of garnet, spinel, biotite, cordierite, feldspar in sample ALR 14-19------225 Supplementary material 3-7 : EDS mapping of selected area in sample ALR 14-19------230
Chapitre 4
Supplementary material 4-1 : Trace elements analyses for zircon reference material 91500------284 Supplementary material 4-2 : Phase equilibria modelling for sample ALR 13-69------285 Supplementary material 4-3 : Monazite chemistry and U–Th–Pb geochronology for sample ALR 13-69------291
Chapitre 5
Supplementary material 5-1 : R code for monazite solubility calculation------329 Supplementary material 5-2 : Compilation of published geochronological data of igneous rocks in Rogaland------333 Supplementary material 5-3 : Overview of the studied samples for each metamorphic zone ------334
14
Introduction Générale
15
16 Introduction générale Les processus physiques et chimiques accompagnant la construction des chaînes de montagnes laissent des traces plus ou moins durables dans les roches affectées. Parmi les indices permettant de comprendre la dynamique terrestre, le métamorphisme, c'est à dire l'ensemble des changements se produisant dans une roche soumise à des conditions physiques différentes de celles où elle s'est formée, est un phénomène de premier ordre (Miyashiro 1961 ; Ernst 1975 ; England et Thompson 1984). Au cours de l'orogenèse, les roches voient les minéraux qui les composent recristalliser à l'état solide mais aussi en présence d'un fluide hydraté ou encore sous l’influence d’un liquide silicaté à plus haute température (Austrheim 1987). Les mécanismes permettant aux minéraux d'atteindre l'équilibre thermodynamique sont en effet activés par la présence d'une phase fluide ou encore par la déformation plastique dans les cristaux (Putnis 1992 ; Passchier et Trouw 1996). Comprendre la complexité du comportement des minéraux en réponse aux changements de pression (P), de température (T), de composition du fluide ou de la déformation permet ensuite d'inverser les observations de terrain pour mieux quantifier les objets naturels. Historiquement, les minéraux silicatés dits majeurs, formant plus de 95 % des roches métamorphiques acides, ont été la cible privilégiée de la pétrologie métamorphique (Haüy 1822 ; Daubrée 1857 ; Eskola 1920 ; Turner 1948 ; Thompson 1957). Des bases de données thermodynamiques autocohérentes ont été patiemment construites à partir de données expérimentales et systématiquement testées par les données de terrain (Helgeson 1978 ; Berman 1988 ; Holland et Powell 1990, 1998). La quantification du chemin pression–température (P–T) suivi par les roches est aujourd’hui accessible pour une large gamme de roches via l’approche des pseudosections (Korzhinskii 1959 ; Hensen 1971 ; Connolly 2009). Toutefois, la présence même de roches métamorphiques à la surface du globe démontre que l'état d'équilibre n'est (heureusement) pas toujours atteint. Un paramètre crucial, outre la pression, la température et la disponibilité des fluides, est en effet la durée du métamorphisme qui doit être suffisante pour atteindre les conditions d'équilibre. Le temps est de plus un paramètre clef quant à la compréhension des événements géologiques menant à la construction et au démantèlement des chaînes de montagnes, tant pour déterminer leur séquence relative que leur durée absolue (Spear 1993 ; Johnson et Harley 2012). La géochronologie, c'est à dire la datation des minéraux et par extension des roches, est donc d'une importance particulière puisqu'elle permet d'accéder aux durées et vitesses des processus orogéniques étudiés. Deux stratégies existent pour déterminer l’âge des roches métamorphiques. La première consiste à exploiter les méthodes isochrones (Nicolaysen 1961) en déterminant les rapports isotopiques père/fils de plusieurs minéraux supposés à l'équilibre. L'avantage d'une telle méthode est de dater directement les minéraux métamorphiques, permettant par là même de relier aisément l’âge obtenu à des conditions P–T (p. ex. Duchene et al. 1997). Le
17 Introduction générale succès de la datation par méthode isochrone requiert que la roche n'ait retenu qu'un seul épisode ou événement métamorphique. En effet, toute superposition mènerait à des mesures radiochronométriques dénuées de sens géologique que nous qualifierons de « dates » par opposition à « âges ». La seconde stratégie utilise des minéraux peu abondants dans les roches, dits accessoires (Tilton et al. 1955 ; Krogh 1973 ; Lancelot et al. 1976), qui incorporent des éléments radioactifs (p. ex U et Th) en quantité appréciable, de 100 partie par million (ppm) à 10 % massiques (Wt% pour weight percent). Dans un minéral donné et pour un couple isotopique connu, la mesure actuelle de la quantité d'élément fils produit par décroissance de l'élément père permet de déduire l’âge de fermeture du système isotopique ; à condition toutefois que le minéral en question incorpore une quantité négligeable d'élément fils lors de sa cristallisation ou que celle- ci soit connue par ailleurs. Parmi les minéraux accessoires remplissant les conditions présentées ci-dessus, on trouve le zircon (ZrSiO4), la monazite (CePO4), le xénotime (YPO4), le rutile (TiO2) ou encore la titanite (CaTiSiO5). Le zircon et la monazite sont certainement les plus utilisés pour la datation des roches métamorphiques en raison de leur exceptionnelle résistance à haute température, notamment dans les roches partiellement fondues du faciès granulite (p. ex. Schaltegger et al.1999). De manière analogue aux minéraux silicatés majeurs, la stabilité des minéraux accessoires dépend de variables intensives comme la pression et la température mais aussi extensives comme la concentration de la roche en éléments traces tels que le Zr, dans le cas du zircon (Watson et Harisson 1983), ou des Terres Rares (REE pour Rare Earth Element), pour la monazite (e.g. Montel 1993). Tout comme il est indispensable de connaître les propriétés des minéraux majeurs constituant la roche pour déduire des conditions P–T de leur formation, il est nécessaire d'étudier les paramètres qui contôlent la stabilité des minéraux accessoires pour espérer comprendre la signification d'un âge isotopique. En effet, dans le cas le plus simple, le système isotopique est clos au moment de la cristallisation du minéral étudié. On peut dès lors se demander ce qui a provoqué cette cristallisation (variations de pression P, de température T, de chimie X, de déformation du milieu D). D'autre part, les minéraux accessoires peuvent subir des altérations de leur réseau cristallin, ayant pour effet d’obscurcir le signal isotopique et donc de « fausser » l’âge mesuré (Silver et Deutsch 1963 ; Geisler et al. 2007). La compréhension du message isotopique demande, par conséquent, de mettre en évidence les mécanismes et processus minéralogiques opérant à l'échelle du cristal puis de relier ces processus à des variables d’intérêt P–T–fluides. La compréhension de la dynamique des chaînes de montagnes est par conséquent dépendante au premier ordre de la qualité des données géochronologiques et de leur interprétation. Pour optimiser ces deux derniers points, une meilleure connaissance du comportement des minéraux accessoires utilisés en géochronologie, en particulier la monazite et le zircon, est
18 Introduction générale essentielle. Cette thèse s'inscrit ainsi dans une démarche naturaliste visant à collecter des échantillons sur le terrain pour ensuite replacer la cristallisation des minéraux accessoires dans le cadre de l’histoire thermodynamique de la roche et étudier la manière dont les systèmes isotopiques U–Th–Pb répondent à cette histoire. Nous nous concentrerons sur la caractérisation des conditions de formation (P–T–X) de la monazite et du zircon dans les roches ayant atteint des températures crustales extrêmes supérieures à 900 °C, dans l’objectif d’éclairer l’origine très débattue du métamorphisme de ultra-haute température (T > 900 °C) et d’une manière plus générale les interactions magmatisme–métamorphisme lors de la construction des chaînes de montagnes.
Définitions et causes du métamorphisme de UHT
Le métamorphisme de ultra-haute température (UHT) a été défini par Harley (1998) comme une subdivision du faciès granulite au-delà de 900°C. Ce type de métamorphisme matérialise les conditions les plus extrêmes auxquelles la croûte continentale est soumise. Le seuil des 900 °C ne correspond en fait qu’à une convention puisqu’il n’existe pas de discontinuité dans les températures enregistrées au sein du facies granulite (de 750 °C à plus de 1000 °C ; Brown 2007; Kelsey et Hand 2015). Le métamorphisme de UHT est reconnu sans interruption au cours des temps géologiques depuis l’Archéen (p. ex. Napier complex ; Kelly et Harley 2005) jusqu’au Cénozoïque (p. ex. Indonesia ; Pownall et al. 2014) et est suspecté dans la croûte profonde actuelle de nombreuses régions du monde grâce à la mesure des flux de chaleur en surface (Currie et Hyndman 2006). Avec plus de 60 occurrences reconnues (Kelsey et Hand 2015) il est donc clair que ce phénomène n’est pas marginal et que sa compréhension est cruciale pour contraindre les processus de grande échelle affectant la lithosphère (Brown 2009; Sizova et al. 2014). Assemblages minéralogiques et relations de phase
Les assemblages minéralogiques typiques du métamorphisme de UHT dans les métapélites magnésiennes sont sapphirine + quartz, orthopyroxène + sillimanite + quartz ainsi que les assemblages à osumilite (Fig. 1a ; Harley 1998). Dans les roches basiques, l’apparition de la pigeonite souligne des températures proches ou supérieures à 900 °C (Fig. 1b ; Sandiford et Powell 1986).