COMPORTEMENT DES RADIOCHRONOMETRES Rb/Sr, Ar/Ar ET Sm/Nd AU COURS DU

526 Pages·2017·12.29 MB·English

by  Julie Schneider

ACADEMIE DE MONTPELLIER

UNIVERSITE MONTPELLIER II
SCIENCES ET TECHNIQUES DU LANGUEDOC

THESE

pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L’UNIVERSITE MONTPELLIER II

Discipline : Physique et Chimie de la Terre
Formation Doctorale : Sciences de la Terre et de l’Eau
Ecole Doctorale : Structure et évolution de la lithosphère

Présentée et soutenue publiquement

Par

JULIE SCHNEIDER

le 17 décembre 2004

COMPORTEMENT DES RADIOCHRONOMETRES
Rb/Sr, Ar/Ar ET Sm/Nd
AU COURS DU METAMORPHISME :
CAS DES ECLOGITES DE L’ARC DE BERGEN (NORVEGE)

JURY

M. Jean-Louis Bodinier Directeur de Thèse
Mme Delphine Bosch co-Directeur de Thèse
M. Patrick Monié co-Directeur de Thèse
M. François Bussy Rapporteur
M. Jean-Jacques Peucat Rapporteur
Mme Françoise Boudier Président du jury
M. Stéphane Guillot Invité
M. Urs Shärer Invité

Remerciements

Merci à tous ceux qui ont participé à un moment ou à un autre à l’élaboration et au bon
aboutissement de ce travail.

Je remercie tout particulièrement Delphine Bosch pour tout le soutien et les précieux conseils
qu’elle m’a apportés durant ce travail de thèse, ainsi que pour sa grande disponibilité. Un grand merci
également à Patrick Monié pour son encadrement, et en particulier pour son professionnalisme sur le
spectromètre argon. Merci également à Jean-louis Bodinier pour avoir accepté d’assurer la direction de
cette thèse.

Je remercie très sincèrement François Bussy et Jean-Jacques Peucat pour avoir accepté d’être
rapporteurs de ce travail, et remercie également tous les membres du Jury qui ont pris le temps de lire
ce mémoire de thèse.

Un grand merci à Loïc Labrousse pour m’avoir guidé au coeur des éclogites de Norvège, et
permis de découvrir cet objet géologique remarquable qu’est l’Arc de Bergen.

Ce travail n’aurait pu aboutir sans la participation d’un grand nombre de personnes lors de
l’acquisition des données analytiques qui constituent le noyau dur de ma thèse. Je tiens notamment à
remercier : Pierre Brunet de l’Université Paul Sabatier (Toulouse) pour les mesures des rapports
isotopiques du strontium ; Pierre Agrinier pour m’avoir accueillie durant deux semaines au laboratoire
de géochimie des isotopes stables de l’IPG (Paris) et initiée aux mesures des rapports isotopiques de
l’oxygène ; Philippe Dieudonné du service commun diffraction X (Université Montpellier II) pour les
mesures et le traitement des données de diffraction ; Olivier Bruguier et Simone Pourtalès pour la
supervision des mesures à l’ICP-MS et au LA-ICP-MS du service commun de l’ISTEEM (Université
Montpellier II) ; Claude Merlet pour son encadrement sur la sonde électronique du service commun de
l’ISTEEM (Université Montpellier II) ; Doriane Delmas et Christophe Nevado à qui je dois
l’élaboration des lames minces et épaisses ; Philippe Monjoie de l’Université de Lausanne pour les
analyses des éléments majeurs.

Merci à Alain Baronnet pour les discussions stimulantes que nous avons pu avoir au cours de
mes deux visites au CRMCN à Marseille. Merci à Antonio Garcia-Casco pour son aide précieuse lors
de l’élaboration de mon premier article sur les éclogites du massif de l’Escambray de Cuba. Merci
également à Alexander Kühn et Hankon Austrheim que j’ai eu la chance de rencontrer au cours du
congrès de l’EGU 2003. Les idées que nous avons échangées à cette occasion m’ont permis de faire un
« bond » dans l’avancement de ma thèse.

Merci également à Maurice Brunnel, Jacques Malavieille et Jingsui Yang pour m’avoir donné
la chance d’explorer les hauts plateaux Tibétains.

Un grand merci à tous mes collègues thésards Marianne, Stéphanie, Bruno, Benoît, Marie,
Claudio pour avoir fait en sorte que je puisse travailler dans un climat chaleureux.

Durant ces quatre années de thèse, j’ai eu énormément de plaisir à enseigner la géologie, et je
suis très reconnaissante à tous les étudiants de premier cycle de l‘Université Montpellier II des années
2000 à 2004 pour m’avoir permis de cultiver mon goût de l’enseignement.

Merci à ma mère Martine et mon père Robert qui m’ont toujours soutenu à tous les niveaux
dans mes choix ainsi qu’à mes grand-mères Lucienne et Jacqueline, et mes soeurs Marion, Camille et
Fanny pour leurs encouragements constants durant ces longues années d’études universitaires. Merci à
Olivier de contribuer à l’équilibre de ma vie, et à mes amis Sam, Marianne, Stéphanie, Anne, Joelle,
Antoine et tant d’autres pour leur soutien et leur joie de vivre.
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Je dédie cette thèse à la mémoire de mon grand-père Victor Seynaeve (1911-1995),
naturaliste dans l’âme, ancien cartographe, et passionné de géologie, qui avait le don de
communiquer avec les oiseaux...

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Table des matières
Introduction 17
Chapitre 1 :Problématique : Utilisation et compréhension des radiochronomètres
I Introduction 23
II La géochronologie Rb/Sr, Sm/Nd et Lu/Hf 23
II.1 Introduction 23
II.1.a Principes de l’isochrone 23
II.1.b Application du diagramme isochrone pour un système roche 24
II.2 La fermeture d’un système 26
II.2.a Introduction 26
II.2.b La diffusion dans un solide 26
II.2.c Le concept de température de fermeture de Dodson (1973) 29
Formulation 29
Application dans le cas d’un refroidissement lent 31
II.2.d Le calcul des températures de fermeture 31
Principe 31
Mesures expérimentales des paramètres de diffusion 32
Expériences de diffusion des terres rares (REEs) 35
La diffusion du Sr 38
II.2.e Les limites de la formulation de Dodson 41
Cas des espèces diffusant lentement 41
Réservoir infini contre réservoir fini 43
Applications 48
II.3 Les déséquilibres isotopiques 49
II.3.a Définition 49
II.3.b Le cas du polymétamorphisme 50
Rôle de la déformation 52
Rôle des fluides 53
Conclusion 55
II.3.c Autres cas de déséquilibres isotopiques 55
Héritages de compositions isotopiques précoces 55
Incorporation d’inclusions réfractaires 58
III. La géochronologie 40Ar/39Ar 63
III.1 Présentation 63
III.1.a Schéma de désintégration du 40K 63
III.1.b Principes de la méthode 40Ar/39Ar 64
III.1.c Les intérêts de cette méthode 66
III.2 Le comportement de l’argon dans les micas blancs 67
III.2.a La diffusion de l’argon dans les muscovites 67
III.2.b Effet de la composition sur la rétention de l’argon 69
III.2.c Les pertes d’argon, rajeunissement des âges 70
III.2.d Synthèse 72
7
III.3 L’excès d’argon 72
III.3.a Qu’est ce qu’un excès d’argon ? 72
III.3.b Les différents types d’excès d’argon 74
III.3.c Interprétation géochimique des excès d’argon 74
La solubilité de l’argon dans les fluides 75
La solubilité de l’argon dans les minéraux 76
Le rôle des fluides 77
Comportement en système fermé 77
IV Synthèse et stratégie d’étude 78
Chapitre 2 : Contexte géologique : Les Calédonides de Norvège et l’Arc de Bergen.
I Les Calédonides de Norvège 85
I.1 Présentation générale des Calédonides scandinaves 85
I.2 La formation des Calédonides de Norvège 85
I.2.a L’événement Finnmarkien (520-500 Ma) 87
I.2.b L’événement de Trondheim (490-475 Ma) 87
I.2.c L’événement Taconien (470-450 Ma) 87
I.2.d L’événement Scandien (420-400 Ma) 89
I.2.e L’événement tardif post-Scandien (400-390Ma) 89
I.2.f Synthèse 91
I.3 Les différentes unités tectonostratigraphiques des calédonides de Norvège 91
I.3.a Le socle autochtone 91
I.3.b Les gneiss de l’Ouest (WGR) : Parautochtone cristallin 91
L’âge de la haute pression dans les WGR 94
I.3.c Allochtone inférieur 94
I.3.d Allochtone médian 95
I.3.e Allochtone supérieur 95
I.3.f Allochtone sommital 96
I.3.g Les bassins dévoniens 96
II L’Arc de Bergen 97
II.1 Les différentes unités tectonostratigraphiques de l’Arc de Bergen 97
II.2 La Nappe de Lindås 99
II.2.a Les différentes lithologies observées 99
II.2.b Les éclogites 100
Type I – éclogites « statiques » 100
Type II – Zones mineures de cisaillement éclogitique 100
Type III – Brèches éclogitiques 102
Type IV – zones majeures de cisaillement éclgitique 102
Type V – Pseudotachylites éclogitiques 102
II.3 Assemblages minéralogiques et réactions métamorphiques 103
II.3.a Les granulites 103
II.3.b Les éclogites 104
8
Premier stade d’éclogitisation ; altération partielle des granulites 104
Deuxième stade d’éclogitisation : formation des zones de cisaillement 105
Troisième stade d’éclogitisaton : au cœur des zones de cisaillement 106
II.3.c Des «éclogites » particulières : les marbres 106
II.3.d Les amphibolites 107
II.4 Conditions P-T des différents événements métamorphiques dans la nappe de 107
Lindås
II.4.a Formation du protolithe 107
II.4.b Métamorphisme granulitique 108
II.4.c Métamorphisme éclogitique 108
II.4.d Métamorphisme amphibolithique 109
II.5 Genèse des éclogites 110
II.5.a Synthèse et interprétation des observations 110
II.5.b Modèle de formation des éclogites 111
II.6 Les fluides 112
II.6.a Contraintes sur la composition des fluides 112
II.6.b Modèle d’évolution du fluide éclogitisant 113
II.6.c Mobilité des éléments 115
De l’échelle régionale à l’échelle du minéral 115
Ce qu ‘implique la présence de marbres 116
II.7 Contraintes géochronologiques 116
II.7.a L’âge des intrusions magmatiques 117
II.7.b L’âge de la granulitisation 117
II.7.c L’âge de l’éclogitisation 120
II.7.d L’âge de l’amphibolitisation 121
II.8 Evolution géodynamique de la nappe de Lindås 123
Chapitre 3 : Apport de l’étude pétrologique.
I Présentation des échantillons 128
II Etude pétrologique de l’échantillon NOK10a 131
II.1 Présentation de l’échantillon NOK10a 131
II.2 Caractérisation des réactions minéralogiques associées au métamorphisme 133
de haute pression
II.2.a Identification des réactions d’éclogitisation dans les différents sites texturaux 133
Les coronites 133
Bandes de cisaillement à épidote 135
Bandes de cisaillement à épidote et omphacite 137
Lentilles de quartz 137
II.2.b Progression de l’amphibolitisation 138
II.3 Composition des phases minérales 138
II.3.a Les épidotes 138
II.3.b Les grenats 139
9
II.3.c Les micas 141
Composition générale des micas blancs 141
Rappel sur la cristallographie des micas dioctaédriques et interprétation des variantes en 144
potassium
Le baryum 148
Comparaison des phengites en fonction de leur site textural 149
II.3.d Les autres phases minérales : clinopyroxène, amphibole, disthène et plagioclase 151
III Etude pétrologique de l’échantillon NOK10d 151
III.1 Présentation de l’échantillon NOK10d 151
III.2 Description des assemblages minéralogiques en fonction des sites texturaux 153
III.2.a Les yeux à omphacite et à grenat 153
III.2.b Bandes de cisaillement riches en phengite 153
III.2.c La zonation des grenats 155
III.2.d Traces de l’amphibolitisation 155
III.3 Composition des phases minérales 157
III.3.a Les épidotes 157
III.3.b Les grenats 157
III.3.c Les micas 160
III.3.d Les autres phases minérales : clinopyroxène, plagioclase et amphibole 161
IV Synthèse des observations 164
Chapitre 4 : Apports de l’étude géochimique : Caractérisation des phases en éléments
en trace
I Introduction 169
I.1 Généralités 169
I.2 Comportement des éléments en trace dans la roche métamorphique 169
I.3 Approche analytique 170
I.4 Rappel de nomenclature 172
II Caractérisation des roches totales NOK10a et NOK10d 173
II.1 Les terres rares 173
II.2 Les LILEs 175
III Caractérisation en éléments en trace des minéraux de l’échantillon 177
NOK10a
III.1 Les grenats 177
III.1.a Les terres rares (REE) 177
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