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Reworking of a granitic continental crust : from anatexis to granite magma

Borges Carvalho Bruna. (2016). Reworking of a granitic continental crust : from anatexis to granite magma. Thèse de doctorat, Université du Québec à Chicoutimi.

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Résumé

The continental crust, which started to form about 4 Ga ago, is petrologically very diverse. The main hypothesis that this research examines is that diversity is produced through anatexis of the continental crust resulting in the formation of granite magmas, which can eventually be transferred to shallower levels and form plutons there. This study uses field and microstructural observations combined with mineral and whole-rock composition to understand when and how a granitic continental crust, in the southern São Francisco Craton, Brazil, became petrologically diverse. The Kinawa migmatite represents a former Archean leucogranodiorite that has been reworked in a shear zone at upper amphibolite facies conditions (<730°C and 0.5-0.6 GPa). A wide variety of rocks were produced in this process, including three types of diatexite (grey, schlieren and homogenous), a series of leucosomes and minor amphibolites, metatexites and grey gneisses. Grey diatexites are residual with a microstructure consistent with H2O-fluxed melting (degree of partial melting ~0.35-0.40) via the reaction Pl + Kfs + Qz + H2O = melt. Schlieren diatexites alternate residuum-rich domains with leucocratic quartzofeldspathic domains. Homogeneous diatexites have the highest SiO2 and K2O contents and are coarse-grained, leucocratic rocks. Leucosomes are small but abundant rocks bodies that vary in compositions from tonalite to alkali-feldspar granite. Homogeneous diatexites, quartzo-feldspathic domains from the schlieren diatexites and leucosomes have, in different parts, plagioclase-dominated and K-feldspar-dominated framework microstructures. They are interpreted as melt-rich rocks and some of them contain evidence of tectonic compaction. In the active shear zone setting of the migmatite shearenhanced compaction, both during melting and crystallisation, provided an essentially continuous driving force for the segregation of melt from solids, and generated the petrological diversity observed in the migmatites. Geochemical modelling indicates the presence of an entrained residuum component of up to 20% in all the melt-rich rocks. Amongst the textural and compositional evidence for this are; 1) biotite in both leucosome and host rocks have similar compositions, 2) the presence of inherited zircons in all melt-bearing rocks and, 3) rounded inclusions of plagioclase with comparable Ca and Sr contents to the plagioclase in residual rocks inside the K-feldspar in the melt-rich rocks. Former mafic dykes in the leucogranodiorite protolith become scattered amphibolite schollen in the diatexites. Amphibolites did not melt, but show a progression of complex morphologies suggesting mechanical and chemical interaction with the surrounding diatexite. Diatexites and leucosomes immediately adjacent to the schollen have higher proportions of hornblende and/or biotite than the diatexite farther away. Geochemical modelling indicates that melt composition is changed by the wholesale entrainment of disaggregated mafic schollen, or by the preferential entrainment of hornblende or plagioclase into the diatexite. This contamination added FeO+MgO, CaO and TiO2, resulting in a dilution of SiO2 whole-rock contents and increase in maficity of the initially leucocratic diatexite magma driving its bulk composition to a mesocratic or even melanocratic granite comparable to typical I-type granites from around the world. The protolith, a metagranodiorite occurring outside the shear zone, has U-Pb zircon crystallisation age of 2704 ± 3 Ma and εHf(t=2704) of -1.5 to -6.1 suggesting that it formed from an evolved crust and had a long crustal residence (~700 Ma). Overgrowths of zircon in the Kinawa migmatite yielded much younger ages (2034 ± 32 Ma and 2048 ± 25 Ma). Moreover, the εHf(t) signatures of the zircons from the migmatite are heterogeneous and record two events; one with lower 176Hf/177Hf interpreted as inherited from the protolith (at ~2.7 Ga) and another with higher 176Hf/177Hf (at ~2.05 Ga), corresponding to the age of anatexis that produced the migmatite. Thus, the migmatite had two sources, an evolved crust comparable to the surrounding leucogranodiorite gneisses (εHf(t=2034) -13.4 to -17), and another source with much less negative values (εHf(t=2048)=-4.6 to -8.7) and most likely of Post-Archean origin. The presence of this exotic material implies that melt, probably from a deeper source, moving up the shear zone could have been the source of water and heat that triggered partial melting of the country rocks around the shear zone. This interpretation is consistent with similar signature of δ18O from diatexites, leucosomes and the protolith, and suggests that the fluid could come from the crystallisation of a granite. The data presented in this thesis indicates that petrological diversity of the Kinawa migmatite is produced by melt segregation, both during melting (i.e. heating or prograde path) and crystallisation (i.e. cooling or retrograde path), and by interaction of the anatectic melt with unmelted material in the source. During melting, segregation produced residuum, anatectic melt, plus the intermediate stages. During crystallisation it generated diverse plagioclase-rich rocks and fractionated melts. Finally, entrained material from disaggregated amphibolite interacted with anatectic melt to produce leucosomes and diatexites with the compositional signature of I-type granites.

La croûte continentale, qui a commencé à se former il y a environ 4 Ga, est pétrologiquement très diverse. La principale hypothèse que cette recherche examine est que la diversité est produite par anatexie de la croûte continentale et la formation de magmas granitiques, qui peuvent éventuellement être transférés à des niveaux moins profonds et y former des plutons là. Cette étude utilise des observations de terrain et des observations microstructurales combinées à la composition minérale et à la composition de roche totales pour comprendre quand et comment une croûte continentale granitique, dans le Craton méridional de São Francisco, au Brésil, est devenue pétrologiquement diversifiée. La migmatite de Kinawa représente une ancienne leucogranodiorite archéenne qui a été remaniée dans une zone de cisaillement à des conditions de faciès amphibolite supérieurs (<730 ° C et 0,5-0,6 GPa). Une grande variété de roches ont été produite dans ce processus, y compris trois types de diatexite (gris, schlieren et homogène), une série de leucosomes et de mineurs amphibolites, des métatexites et des gneiss gris. Les diatexites gris sont résiduels avec une microstructure cohérente avec la fusion en présence d'H2O (degré de fusion partielle ~ 0,35-0,40) via la réaction Pl + Kfs + Qz + H2O = fusion. Les diatexites schlieren alternent des domaines riches en résidus avec des domaines leucocratiques quartz-feldspathiques. Les diatexites homogènes ont les plus hauts contenus en SiO2 et en K2O et sont des roches leucocratiques à grains grossiers. Les leucosomes sont des roches petites mais abondantes qui varient dans les compositions de tonalite au granite de feldspath alcalin. Les diatexites homogènes, les domaines quartz-feldspathiques des diatexites schlieren et les leucosomes ont, dans différentes régions, des microstructures de réseau de feldspaths dominées soit par le plagioclase ou par le feldspath potassique. Ils sont interprétés comme des roches riches en masse fondue et certains d'entre eux contiennent des preuves de compactage tectonique. Dans le contexte de zone de cisaillement active de la migmatite, le compactage intensifié par le cisaillement a fourni une force motrice essentiellement continue pour la ségrégation de la masse fondue à partir des solides, et a généré la diversité pétrologique observée dans les migmatites. La modélisation géochimique indique la présence d'un composant résiduel entraîné de 20% maximum dans toutes les roches riches en fondu. Parmi les éléments de texture et de composition pour cela sont; 1) les biotites dans les leucosomes et les roches encaissantes ont des compositions similaires, 2) la présence de zircons hérités dans toutes les roches riches en fondu et, 3) des inclusions de plagioclase arrondi avec des contenus en Ca et Sr comparables à ceux de plagioclase dans les roches résiduelles dans le feldspath potassique dans les roches riches en fondu. Les anciens dykes mafiques dans le protolite de leucogranodiorite deviennent des schollen d'amphibolites dispersées dans les diatexites. Les amphibolites n'ont pas fondu, mais montrent une progression de morphologies complexes suggérant une interaction mécanique et chimique avec la diatexite autour. Les diatexites et les leucosomes immédiatement adjacents à la schollen ont des proportions plus élevées d'hornblende et / ou de biotite que la diatexite plus éloignée. La modélisation géochimique indique que sa composition est modifiée par l'entraînement global de schollen mafique désagrégé, ou par l'entraînement préférentiel d'hornblende, ou de plagioclase dans la diatexite. Cette contamination a ajouté FeO + MgO, CaO et TiO2, ce qui a entraîné une dilution des teneurs en SiO2 en roche entière et une augmentation de la "maficité" du magma diatexite initialement leucocratique conduisant sa composition à un granite mésocratique ou même mélanocrate comparable aux granites typiques de type I provenant du monde entier. Le protolithe, une métagranodiorite se trouvant en dehors de la zone de cisaillement, a un âge de cristallisation de zircon U-Pb de 2704 ± 3 Ma et εHf(t = 2704) de -1.5 à -6.1 suggérant qu'elle se forme à partir d'une croûte évoluée et présente une longue résidence crustale (~ 700 Ma). Les excroissances des zircons dans la migmatite de Kinawa ont donné des âges beaucoup plus jeunes (2034 ± 32 Ma et 2048 ± 25 Ma). De plus, les signatures εHf (t) des zircons de la migmatite sont hétérogènes et enregistrent deux événements; une avec 176Hf/177Hf inférieure de interprétée comme héritée du protolith (à ~ 2,7 Ga) et une autre de 176Hf/177Hf plus élevé (à ~ 2,05 Ga), correspondant à l'âge de l'anatexis qui a produit la migmatite. Ainsi, la migmatite avait deux sources, une croûte évoluée comparable aux gneiss de leucogranodiorite autour (εHf(t = 2034) -13,4 à -17), et une autre source avec des valeurs beaucoup moins négatives (εHf(t = 2048) = - 4.6 to -8.7) et le plus probablement d'origine post-archaéenne. La présence de ce matériel exotique implique que la fonte, probablement à partir d'une source plus profonde, remontant la zone de cisaillement pourrait avoir été la source d'eau et de chaleur qui a déclenché la fusion partielle des roches de pays autour de la zone de cisaillement. Cette interprétation est compatible avec une signature similaire de δ18O des diatexites, des leucosomes et du protolith, et suggère que le fluide pourrait provenir de la cristallisation du granite. Les données présentées dans cette thèse indiquent que la diversité pétrologique de la migmatite de Kinawa est produite par ségrégation du liquid silicaté, à la fois pendant la fusion (chauffage ou cheminement prograde) et cristallisation (refroidissement ou chemin rétrograde) et par interaction du liquid silicaté anatectique avec du matériau infondu dans la source. Au cours la fusion, la ségrégation produisait le résidu, le liquide silicaté, ainsi que les étapes intermédiaires. Au cours de la cristallisation, il a généré diverses roches riches en plagioclases et des masses fondues fractionnées. Enfin, le matériau entraîné à partir d'amphibolites désagrégées a interagi avec le liquid silicaté anatectique pour produire les leucosomes et diatexites avec la signature de la composition des granites de type I.

Type de document:Thèse ou mémoire de l'UQAC (Thèse de doctorat)
Date:Décembre 2016
Lieu de publication:Chicoutimi
Programme d'étude:Doctorat en sciences de la terre et de l'atmosphère
Nombre de pages:441
ISBN:Non spécifié
Sujets:Sciences naturelles et génie > Sciences naturelles > Sciences de la terre (géologie, géographie)
Département, module, service et unité de recherche:Départements et modules > Département des sciences appliquées > Unité d'enseignement en sciences de la Terre
Directeur(s), Co-directeur(s) et responsable(s):Sawyer, Edward W.
Janasi, Valdecir de Assis
Mots-clés:croûte continentale, diatexite, granite, migmatite, zone de cisaillement, continental crust, shear zone, crustal reworking
Déposé le:31 mai 2018 10:45
Dernière modification:06 juin 2018 18:04
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