Deformation, mass and fluid transfer in the continental crust: application to the external crystalline massifs of the Alps
Déformation, transferts de matière et de fluide dans la croûte continentale: application aux massifs cristallins externes des Alpes
Résumé
In order to better understand the mechanisms responsible for mass transfer in quartz-rich rocks, two approaches have been coupled during this work: investigation the relationships between fluid-rock interactions and deformation in the Mont Blanc massif (western Alps) and an experimental work performed at the GFZ (Potsdam). Our attention was mainly focused on diffusive mass transfer that is so often neglected.
A multidisciplinary study based on field observation, mineralogical and geochemical analyses was performed in the Mont Blanc massif where three kinds of structures resulting of the coupling of both deformation and fluid-rock interactions were evidenced. In the central part of the massif, a metasomatic front evidenced by intense precipitation of Mg-rich phyllosilicates indicates up-flow of deep seated fluids across the whole massif. The formation of a shear zone network together with episyenitisation of the granite (dissolution of magmatic quartz and biotite) appears mostly controlled by deformation instead of reactive fluid flow.
Some experiments were performed in hydrothermal laboratory in order to better constrain the processes that are assumed to be responsible of mass transfer within the Mont Blanc massif. Pressure-solution experiments indicate that this deformation process is efficient in quartz-rich rocks even under isotropic P-T conditions. Such process might be responsible of episyenitisation. A similar study performed with glass spheres instead of natural minerals indicates competition of several deformation mechanisms both ductile and brittle. It also shows that a very small amount of water enhances deformation. Other experiments performed under a thermal gradient allow determination of the crystallisation sequence resulting from the cooling of an upwards flowing fluid, which composition is buffered by granitic rocks. This crystallisation sequence (quartz, K-feldspar, mica and clay) is different from that observed within shear zones, which is in agreement with the hypothesis that mineralogical changes in these shear zones are controlled by deformation rather than by reactive fluid flow. A last set of experiments were performed in order to quantify the diffusivity of dissolved silica under P-T conditions of the middle crust.
A multidisciplinary study based on field observation, mineralogical and geochemical analyses was performed in the Mont Blanc massif where three kinds of structures resulting of the coupling of both deformation and fluid-rock interactions were evidenced. In the central part of the massif, a metasomatic front evidenced by intense precipitation of Mg-rich phyllosilicates indicates up-flow of deep seated fluids across the whole massif. The formation of a shear zone network together with episyenitisation of the granite (dissolution of magmatic quartz and biotite) appears mostly controlled by deformation instead of reactive fluid flow.
Some experiments were performed in hydrothermal laboratory in order to better constrain the processes that are assumed to be responsible of mass transfer within the Mont Blanc massif. Pressure-solution experiments indicate that this deformation process is efficient in quartz-rich rocks even under isotropic P-T conditions. Such process might be responsible of episyenitisation. A similar study performed with glass spheres instead of natural minerals indicates competition of several deformation mechanisms both ductile and brittle. It also shows that a very small amount of water enhances deformation. Other experiments performed under a thermal gradient allow determination of the crystallisation sequence resulting from the cooling of an upwards flowing fluid, which composition is buffered by granitic rocks. This crystallisation sequence (quartz, K-feldspar, mica and clay) is different from that observed within shear zones, which is in agreement with the hypothesis that mineralogical changes in these shear zones are controlled by deformation rather than by reactive fluid flow. A last set of experiments were performed in order to quantify the diffusivity of dissolved silica under P-T conditions of the middle crust.
Une étude de terrain réalisée dans le massif du Mont Blanc a été couplée à une étude expérimentale de laboratoire (en collaboration avec le GFZ-Potsdam) dans le but de comprendre les relations entre déformation, transferts de matière et de fluide dans les roches quartzo-feldspathiques. Une attention particulière a été portée aux transferts de matière par diffusion qui sont le plus souvent négligés.
Une étude pluridisciplinaire basée sur des observations de terrain, des analyses géochimiques et pétrologiques a été réalisée dans le massif du Mont Blanc. Des transferts de matière associés à divers degrés d'interactions fluide-roche couplés à la déformation ont été identifiés. Au cœur du massif la remontée d'un front métasomatique responsable de transformations majeures du granite (précipitation intense de biotites et de chlorites magnésiennes) implique la circulation de fluides profonds magnésiens à travers l'ensemble du massif. Le réseau de zones de cisaillement et l'épisyénitisation du granite (perte du quartz et de la biotite dans le granite situé aux épontes de veines ouvertes) apparaissent comme essentiellement contrôlés par la déformation, plutôt que par la circulation de fluides externes.
Des expériences ont été réalisées en laboratoire afin de contraindre les mécanismes supposés participer aux transferts de matière dans le massif du Mont Blanc. Des expériences de dissolution-cristallisation sous contrainte indiquent que ce processus est efficace aux conditions de la croûte supérieure sous des conditions isotropes. Un processus similaire pourrait donc être responsable de la formation des épisyénites du Mont Blanc. Une étude identique réalisée avec des billes de verre témoigne de la compétition de plusieurs processus aussi bien ductiles (plasticité, dissolution-cristallisation sous contrainte) que fragiles (fracturation). Ces expériences montrent également que la présence d'une faible quantité de fluide dans la porosité favorise la déformation. Des expériences conduites sous un gradient de température permettent de déterminer la séquence de cristallisation résultant du refroidissement d'un fluide dont la composition est tamponnée par celle du granite encaissant. La séquence de cristallisation observée expérimentalement (quartz, feldspath alcalin, mica et argile) ne correspond pas aux précipitations observées dans les zones de cisaillement, ce qui semble en accord avec l'hypothèse que les zones de cisaillement puissent se former en système presque clos, avec des interactions fluide-roche limitées. Enfin une série d'expériences a été réalisée, également sous gradient thermique, afin de quantifier le coefficient de diffusion de la silice dans l'eau pure aux conditions de la croûte moyenne.
Une étude pluridisciplinaire basée sur des observations de terrain, des analyses géochimiques et pétrologiques a été réalisée dans le massif du Mont Blanc. Des transferts de matière associés à divers degrés d'interactions fluide-roche couplés à la déformation ont été identifiés. Au cœur du massif la remontée d'un front métasomatique responsable de transformations majeures du granite (précipitation intense de biotites et de chlorites magnésiennes) implique la circulation de fluides profonds magnésiens à travers l'ensemble du massif. Le réseau de zones de cisaillement et l'épisyénitisation du granite (perte du quartz et de la biotite dans le granite situé aux épontes de veines ouvertes) apparaissent comme essentiellement contrôlés par la déformation, plutôt que par la circulation de fluides externes.
Des expériences ont été réalisées en laboratoire afin de contraindre les mécanismes supposés participer aux transferts de matière dans le massif du Mont Blanc. Des expériences de dissolution-cristallisation sous contrainte indiquent que ce processus est efficace aux conditions de la croûte supérieure sous des conditions isotropes. Un processus similaire pourrait donc être responsable de la formation des épisyénites du Mont Blanc. Une étude identique réalisée avec des billes de verre témoigne de la compétition de plusieurs processus aussi bien ductiles (plasticité, dissolution-cristallisation sous contrainte) que fragiles (fracturation). Ces expériences montrent également que la présence d'une faible quantité de fluide dans la porosité favorise la déformation. Des expériences conduites sous un gradient de température permettent de déterminer la séquence de cristallisation résultant du refroidissement d'un fluide dont la composition est tamponnée par celle du granite encaissant. La séquence de cristallisation observée expérimentalement (quartz, feldspath alcalin, mica et argile) ne correspond pas aux précipitations observées dans les zones de cisaillement, ce qui semble en accord avec l'hypothèse que les zones de cisaillement puissent se former en système presque clos, avec des interactions fluide-roche limitées. Enfin une série d'expériences a été réalisée, également sous gradient thermique, afin de quantifier le coefficient de diffusion de la silice dans l'eau pure aux conditions de la croûte moyenne.