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Behaviour of the Sm-Nd isotopic system during metamorphism [] : examples from the HT-LP metamorphic terrane of the Limpopo Belt, South Africa and the UHP metamorphic terrane of Dabieshan, Central China / Valérie Chavagnac

Auteur principal : Chavagnac, ValérieAuteur secondaire collectivité : Université de Rennes 1, Organisme de soutenancePublication :Rennes : Géosciences Rennes, 1999Description : 1 vol. (VIII-405 p.) : ill., cartes ; 30 cmISBN : 2-905532-88-2.Dewey: 552Résumé : The aims of this Ph.D. Thesis were to decipher whether the use of Nd model ages are reliable constraints for the crustal evolution on Proterozoic migmatized terrane (example of the Limpopo Belt in South Africa) and to examine the consistency between Sm-Nd gamet and V-Pb zircon ages on eclogites (example of the VHPM Dabieshan in Central China). The Central Zone of the Limpopo Belt which is mainly composed of orthogneisses and paragneisses underwent granulite facies metamorphism followed by decompression metamorphic conditions (clockwise P-T loop) at 2.0 Ga. We have performed Sm-Nd and U-Pb work associated with major and trace element analyses on three examples of migmatites generated at 2.0 Ga to study the chemical and isotopic fractionation which may occur during migmatization. Partial melting following the Bt dehydration reaction did lead to different behaviour of Sm-Nd systematics for metagreywacke and metapelite. ln the first case, chemical equilibrium and full Nd isotope exchanges were not reached due to the incrongruent Pl melting and to the effect of accessory mineraIs (Mnz and Ap) on the compositions of the partial melt. Monazite entered the melt in prefarence to apatite, either by dissolution or by entrainment, and its unradiogenic Nd isotope signature dominates the leucosome. The Nd model ages on partial melt are up to 400 Ma older than those on paleosomes. The Nd model ages of these rocks cannot be used in a simple way to cons train the evolution of Southern Africa. ln the second case, incongruent Pl melting influenced the distribution of major, LILE and also REE between the partial melts and the paleosomes. Full Nd isotope exchange was nearly achieved while Pb-Pb systematics were not fully resetted. Incomplete exchange for both Nd and Pb for two leucosomes is also argued. It appears that the accessory minerals were chemically and isotopically equilibrated with the partial melt and the paleosome. The Nd model ages can be used to constrain the crustal growth of the Limpopo Central Zone. Finally, in migmatites formed by metamorphic segregation at subsolidus conditions on orthogneiss, chemical equilibrium and Nd isotope exchange were not reached during migmatization. The distributions of the elements are related to the proportional amounts of each mineraI in the migmatitic components. However, full Pb isotope exchange is reached here as highlighted by a Pb-Pb WR isochron yielding 2.0 Ga. ln addition, the geochemical characteristics combined with REE modelling provided arguments for closed system behaviour of the whole rock during migmatization. The isotopic compositions of the protolith obtained via mass balance calculations can be used to cons train crustal evolution. The UHPM Dabieshan is characterized by the occurrence of coesite and its quartz pseudomorph as inclusions in eclogites of basaltic composition but also of undoubted metasedimentary origin. Sm.-Nd garnet-omphacite-whole rock isochrons on the coesite-bearing eclogites of the Bixiling Complex gave ages at 210 ± 9 to 218 ± 4 Ma which are similar to 218.4 ± 1.8 Ma and 218.4 ± 2.5 Ma ages obtained by V-Pb zircon data. At the Shuanghe locality, Sm-Nd gamet-kyanite-whole rock isochron on a retrogressed eclogite gave an age at 231 ± 35 Ma in line with the U-Pb zircon data at 233 ± 21 Ma (lower intercept in the concordia diagram). ln addition, Ar-Ar and Rb-Sr phengite ages performed on the eclogite host gneisses (Bixilingg locality) yield 198 ± 4 Ma to 212 ± 2 Ma ages, overlapping the previous Sm-Nd and V-Pb zircon ages on the coesite-bearing eclogites. Consequently, the Sm-Nd garnet dating provide ages in agreement with V-Pb zircon ages and the quartzo-feldspathic gneisses underwent an event coeval to VHP on eclogites. Nd isotope equilibration at the VHP metamorphism appears to have been complete; Les buts de cette thèse sont (1) de déterminer si les âges modèles en Nd obtenus sur des terrains protérozoïques migmatisés correspondent réellement à l'âge d'extraction du magma de sa source mantellique (exemple du Limpopo Belt en Afrique du Sud) et (2) de comparer les âges Sm-Nd sur grenat et les âges U-Pb sur zircon déterminés sur des éclogites (exemple du Dabieshan en Chine Centrale). La Zone Centrale du Limpopo Belt est constituée principalement d'orthogneiss et de paragneiss. Elle a subi un métamorphisme granulitique suivi par des conditions métamorphiques de décompression à 2.0 Ga (trajectoire pression et température dans le sens horaire). Nous avons effectué des analyses isotopiques en Sm-Nd et U-Pb combinées aux analyses en éléments majeurs et traces sur trois exemples de migmatites formées à 2.0 Ga afin d'étudier le fractionnement chimique et isotopique qui pourrait avoir lieu au cours de la migmatisation. La fusion partielle selon la réaction de déhydratation de la biotite met en exergue des comportements différents du système isotopique Sm-Nd dans les métagreywackes et dans les métapélites. Dans le premier cas, l'équilibre chimique et l'homogénéisation isotopique en Nd n'ont pas été achevés à cause de la fusion incongruente du plagioclase et de l'influence des minéraux accessoires sur la composition chimique des liquides. Il est démontré que la monazite est préférentiellement entraînée dans les leucosomes plutôt que l'apatite, provoquant ainsi la domination de la composition chimique de la monazite sur celles des liquides. De plus, la composition isotopique en Nd non-radiogénique de ce minéral accessoire domine celle du leucosome. Ainsi, les âges modèles en Nd des leucosomes sont jusqu'à 400 Ma plus vieux que ceux obtenus sur les paléosomes. Les âges modèles en Nd obtenus sur ces roches ne peuvent donc pas être utilisés comme âge de formation de la croûte continentale en Afrique du Sud. Dans le cas des métapelites, la fusion incongruente du plagioclase a influencé la distribution des éléments majeurs, des Larges Ion Lithophile Element ainsi que des Rare Earth Element entre les paléosomes et les leucosomes. L'échange isotopique en Nd entre les différents composants migmatitiques a été pratiquement atteint, au contraire des isotopes du Pb qui ne montrent qu'une homogénéisation partielle. Cependant, deux leucosomes à grenat présentent des compositions isotopiques en Sm-Nd et U-Pb supérieures aux autres composants migmatitiques. Ceci suggère qu'en règle générale les minéraux accessoires ont été chimiquement et isotopiquement équilibrés avec les leucosomes et les paléosomes. De ce fait, les âges modèles en Nd calculés sur les paléosomes et les leucosomes représentent des âges significatifs pour la formation de la croûte continentale dans la Zone Centrale du Limpopo Belt. Le dernier exemple est un orthogneiss migmatitique qui s'est formé par ségrégation métamorphique à des conditions subsolidus. La distribution des éléments majeurs et traces est directement proportionnelle à la quantité de chaque minéraux formant les composants migmatitiques. L'échange isotopique en Pb a été achevé comme le montre l'isochrone en Pb-Pb sur les roches totales à 2.0 Ga. De plus, les caractéristiques géochimiques associées à une modélisation de la distribution des REE indiquent que le système est resté clos à l'échelle de la roche totale durant le processus de migmatisation.Ainsi, la composition isotopique en Nd du protolithe a pu être déterminée grâce à l'équation de conservation de masse et peut être utilisée pour définir l'âge de la formation de la croûte continentale. Le terrain Métamorphique de Ultra-Haute Pression (UHPM) du Dabieshan est caractérisé par la présence de coésite et de quartz pseudomorphe dans les éclogites de composition basaltique mais aussi dans les roches d'origine sédimentaire. Les Isochrones en Sm-Nd sur grenat-omphacite-roche totale des éclogites à coésite du Massif de Bixiling donnent des âges variant entre 210 ± 9 Ma et 218 ± 4 Ma, très similaires aux âges U-Pb sur zircon à 218.4 ± 1.8 Ma et 218.4 ± 2.5 Ma (Ames et al., 1995). De plus, une isochrone Sm-Nd sur grenat-disthène-roche totale d'une éclogite rétromorphosée donne un âge à 231 ± 35 Ma en accord avec un âge à 233 ± 21 Ma (intercepte bas dans le diagramme concordia). Nous avons effectué des datations par les méthodes Rb-Sr et Ar-Ar sur des phengites et des biotites de l'encaissant des éclogites à coésite de Bixiling. Les âges varient entre 198 ± 4 Ma et 212 ± 2 Ma recouvrant les âges précedemment obtenus par Sm-Nd sur les éclogites à coésite. Par conséquent, les âges Sm-Nd sur grenat sont en accord avec les âges U-Pb sur zircon et montrent que les gneiss quartzo-feldspathiques ont subi un événement métamorphique à -210 Ma comme les éclogites. L'homogénéisation isotopique en Nd entre les différents minéraux semblent être atteinte à l'âge du métamorphisme.Bibliographie: Bibliogr. p. 319-355.Thèse : .Sujet - Nom d'actualité : Datation -- Méthode samarium-néodyme -- Thèses et écrits académiques ;Métamorphisme (géologie) -- Thèses et écrits académiques ;Roches métamorphiques -- Afrique du Sud -- Thèses et écrits académiques ;Roches métamorphiques -- Chine -- Thèses et écrits académiques Sujet : Métamorphisme régional ;Géochimie isotopique ;Datation ;Corrélation ;Condition pression température Sujet Catégorie : GEOCHIMIE/ROCHES CRISTALLINES
Current location Call number Status Date due Barcode
Bib. Fontainebleau
Magasin
EMF 536(89) Available EMF01183D

Résumé en français et en anglais

Bibliogr. p. 319-355

Texte remanié de Thèse de doctorat Géologie Rennes 1 1998

The aims of this Ph.D. Thesis were to decipher whether the use of Nd model ages are reliable constraints for the crustal evolution on Proterozoic migmatized terrane (example of the Limpopo Belt in South Africa) and to examine the consistency between Sm-Nd gamet and V-Pb zircon ages on eclogites (example of the VHPM Dabieshan in Central China). The Central Zone of the Limpopo Belt which is mainly composed of orthogneisses and paragneisses underwent granulite facies metamorphism followed by decompression metamorphic conditions (clockwise P-T loop) at 2.0 Ga. We have performed Sm-Nd and U-Pb work associated with major and trace element analyses on three examples of migmatites generated at 2.0 Ga to study the chemical and isotopic fractionation which may occur during migmatization. Partial melting following the Bt dehydration reaction did lead to different behaviour of Sm-Nd systematics for metagreywacke and metapelite. ln the first case, chemical equilibrium and full Nd isotope exchanges were not reached due to the incrongruent Pl melting and to the effect of accessory mineraIs (Mnz and Ap) on the compositions of the partial melt. Monazite entered the melt in prefarence to apatite, either by dissolution or by entrainment, and its unradiogenic Nd isotope signature dominates the leucosome. The Nd model ages on partial melt are up to 400 Ma older than those on paleosomes. The Nd model ages of these rocks cannot be used in a simple way to cons train the evolution of Southern Africa. ln the second case, incongruent Pl melting influenced the distribution of major, LILE and also REE between the partial melts and the paleosomes. Full Nd isotope exchange was nearly achieved while Pb-Pb systematics were not fully resetted. Incomplete exchange for both Nd and Pb for two leucosomes is also argued. It appears that the accessory minerals were chemically and isotopically equilibrated with the partial melt and the paleosome. The Nd model ages can be used to constrain the crustal growth of the Limpopo Central Zone. Finally, in migmatites formed by metamorphic segregation at subsolidus conditions on orthogneiss, chemical equilibrium and Nd isotope exchange were not reached during migmatization. The distributions of the elements are related to the proportional amounts of each mineraI in the migmatitic components. However, full Pb isotope exchange is reached here as highlighted by a Pb-Pb WR isochron yielding 2.0 Ga. ln addition, the geochemical characteristics combined with REE modelling provided arguments for closed system behaviour of the whole rock during migmatization. The isotopic compositions of the protolith obtained via mass balance calculations can be used to cons train crustal evolution. The UHPM Dabieshan is characterized by the occurrence of coesite and its quartz pseudomorph as inclusions in eclogites of basaltic composition but also of undoubted metasedimentary origin. Sm.-Nd garnet-omphacite-whole rock isochrons on the coesite-bearing eclogites of the Bixiling Complex gave ages at 210 ± 9 to 218 ± 4 Ma which are similar to 218.4 ± 1.8 Ma and 218.4 ± 2.5 Ma ages obtained by V-Pb zircon data. At the Shuanghe locality, Sm-Nd gamet-kyanite-whole rock isochron on a retrogressed eclogite gave an age at 231 ± 35 Ma in line with the U-Pb zircon data at 233 ± 21 Ma (lower intercept in the concordia diagram). ln addition, Ar-Ar and Rb-Sr phengite ages performed on the eclogite host gneisses (Bixilingg locality) yield 198 ± 4 Ma to 212 ± 2 Ma ages, overlapping the previous Sm-Nd and V-Pb zircon ages on the coesite-bearing eclogites. Consequently, the Sm-Nd garnet dating provide ages in agreement with V-Pb zircon ages and the quartzo-feldspathic gneisses underwent an event coeval to VHP on eclogites. Nd isotope equilibration at the VHP metamorphism appears to have been complete

Les buts de cette thèse sont (1) de déterminer si les âges modèles en Nd obtenus sur des terrains protérozoïques migmatisés correspondent réellement à l'âge d'extraction du magma de sa source mantellique (exemple du Limpopo Belt en Afrique du Sud) et (2) de comparer les âges Sm-Nd sur grenat et les âges U-Pb sur zircon déterminés sur des éclogites (exemple du Dabieshan en Chine Centrale). La Zone Centrale du Limpopo Belt est constituée principalement d'orthogneiss et de paragneiss. Elle a subi un métamorphisme granulitique suivi par des conditions métamorphiques de décompression à 2.0 Ga (trajectoire pression et température dans le sens horaire). Nous avons effectué des analyses isotopiques en Sm-Nd et U-Pb combinées aux analyses en éléments majeurs et traces sur trois exemples de migmatites formées à 2.0 Ga afin d'étudier le fractionnement chimique et isotopique qui pourrait avoir lieu au cours de la migmatisation. La fusion partielle selon la réaction de déhydratation de la biotite met en exergue des comportements différents du système isotopique Sm-Nd dans les métagreywackes et dans les métapélites. Dans le premier cas, l'équilibre chimique et l'homogénéisation isotopique en Nd n'ont pas été achevés à cause de la fusion incongruente du plagioclase et de l'influence des minéraux accessoires sur la composition chimique des liquides. Il est démontré que la monazite est préférentiellement entraînée dans les leucosomes plutôt que l'apatite, provoquant ainsi la domination de la composition chimique de la monazite sur celles des liquides. De plus, la composition isotopique en Nd non-radiogénique de ce minéral accessoire domine celle du leucosome. Ainsi, les âges modèles en Nd des leucosomes sont jusqu'à 400 Ma plus vieux que ceux obtenus sur les paléosomes. Les âges modèles en Nd obtenus sur ces roches ne peuvent donc pas être utilisés comme âge de formation de la croûte continentale en Afrique du Sud. Dans le cas des métapelites, la fusion incongruente du plagioclase a influencé la distribution des éléments majeurs, des Larges Ion Lithophile Element ainsi que des Rare Earth Element entre les paléosomes et les leucosomes. L'échange isotopique en Nd entre les différents composants migmatitiques a été pratiquement atteint, au contraire des isotopes du Pb qui ne montrent qu'une homogénéisation partielle. Cependant, deux leucosomes à grenat présentent des compositions isotopiques en Sm-Nd et U-Pb supérieures aux autres composants migmatitiques. Ceci suggère qu'en règle générale les minéraux accessoires ont été chimiquement et isotopiquement équilibrés avec les leucosomes et les paléosomes. De ce fait, les âges modèles en Nd calculés sur les paléosomes et les leucosomes représentent des âges significatifs pour la formation de la croûte continentale dans la Zone Centrale du Limpopo Belt. Le dernier exemple est un orthogneiss migmatitique qui s'est formé par ségrégation métamorphique à des conditions subsolidus. La distribution des éléments majeurs et traces est directement proportionnelle à la quantité de chaque minéraux formant les composants migmatitiques. L'échange isotopique en Pb a été achevé comme le montre l'isochrone en Pb-Pb sur les roches totales à 2.0 Ga. De plus, les caractéristiques géochimiques associées à une modélisation de la distribution des REE indiquent que le système est resté clos à l'échelle de la roche totale durant le processus de migmatisation.Ainsi, la composition isotopique en Nd du protolithe a pu être déterminée grâce à l'équation de conservation de masse et peut être utilisée pour définir l'âge de la formation de la croûte continentale. Le terrain Métamorphique de Ultra-Haute Pression (UHPM) du Dabieshan est caractérisé par la présence de coésite et de quartz pseudomorphe dans les éclogites de composition basaltique mais aussi dans les roches d'origine sédimentaire. Les Isochrones en Sm-Nd sur grenat-omphacite-roche totale des éclogites à coésite du Massif de Bixiling donnent des âges variant entre 210 ± 9 Ma et 218 ± 4 Ma, très similaires aux âges U-Pb sur zircon à 218.4 ± 1.8 Ma et 218.4 ± 2.5 Ma (Ames et al., 1995). De plus, une isochrone Sm-Nd sur grenat-disthène-roche totale d'une éclogite rétromorphosée donne un âge à 231 ± 35 Ma en accord avec un âge à 233 ± 21 Ma (intercepte bas dans le diagramme concordia). Nous avons effectué des datations par les méthodes Rb-Sr et Ar-Ar sur des phengites et des biotites de l'encaissant des éclogites à coésite de Bixiling. Les âges varient entre 198 ± 4 Ma et 212 ± 2 Ma recouvrant les âges précedemment obtenus par Sm-Nd sur les éclogites à coésite. Par conséquent, les âges Sm-Nd sur grenat sont en accord avec les âges U-Pb sur zircon et montrent que les gneiss quartzo-feldspathiques ont subi un événement métamorphique à -210 Ma comme les éclogites. L'homogénéisation isotopique en Nd entre les différents minéraux semblent être atteinte à l'âge du métamorphisme

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