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JCJC - SIMI 6 - Système Terre, environnement, risques (JCJC SIMI 6)
Edition 2012


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La monazite hydrothermale: l’accessoire indispensable

La monazite hydrothermale: l’accessoire indispensable
Le projet vise à étudier le potentiel de la monazite comme chronomètre et traceur géochimique des minéralisations hydrothermales via la caractérisation d’échantillons naturels et des expériences hydrothermales.

Enjeux et objectifs
La datation de minéralisations hydrothermales est délicate car la majorité des chronomètres souffrent de perturbation de leurs systèmes isotopiques en milieu ouvert (présence de fluides). Bien que la monazite soit rare dans les dépôts hydrothermaux, c’est un chronomètre très attractif pour la datation des minéralisations car son système isotopique (U-Th-Pb) est très robuste à la diffusion. En présence de fluides, la monazite peut (re)cristalliser sporadiquement et chaque épisode de cristallisation peut être daté individuellement. Les épisodes de croissance se distinguent par des zonations en éléments traces (REE+Y, Th, U et Pb) dans la monazite. En utilisant des techniques de datation in-situ (taille de faisceau < 5 µm), il est possible de dater les différents domaines et d’obtenir l’âge des minéralisations successives. Dans des monazites de fours alpins (veines à cristaux), une étude préliminaire a été menée pour évaluer la faisabilité de dater l’hydrothermalisme tardif des massifs externes Alpins. Les résultats des datations U-Th-Pb à la microsonde ionique sont extrêmement prometteurs. Les monazites miocènes peuvent être datées avec une résolution de 0.2 Ma, et il est possible de distinguer une succession de plusieurs événements hydrothermaux séparés par moins de 2 Ma à l’intérieur d’un seul grain. De plus, l’étude des zonations des monazites hydrothermales révèle des fractionnements extrêmes en éléments traces (Th/U jusqu’à 600), qui demeurent encore incompris.
Les objectifs de ce projet sont doubles: 1) comprendre les fractionnements élémentaires (REE, U, Th) et isotopiques (U-Th-Pb) entre les monazites et fluides; 2) obtenir des âges et durées de croissance de monazite dans des veines hydrothermales des massifs alpins et de les corréler avec la déformation

Methodes/approche
La réalisation du projet nécessitera une approche pluridisciplinaire combinant minéralogie, pétrologie expérimentale, géochronologie et géologie structurale. Pour la partie expérimentale (ISTerre, Grenoble), nous envisageons des expériences hydrothermales dans des autoclaves à joint froid, afin d’évaluer le fractionnement des éléments traces entre la monazite et le fluide, en fonction des conditions de température, de fugacité d’oxygène et de spéciation du fluide. Pour l’étude des veines alpines, nous disposons déjà de larges cristaux de monazite prélevés dans différents massifs alpins. De nouvelles missions d’échantillonnage sont prévues dans le cadre de ce sujet. La caractérisation des fluides et minéraux (produits expérimentaux et échantillons naturels) nécessitera un accès privilégié à des techniques analytiques de pointe, incluant DRX, EMP, MEB, MET, FIB, LA-ICP-MS, SIMS et l’analyse d’inclusions fluides (GET, Toulouse). La datation haute résolution Th-Pb des monazites alpines sera obtenue en utilisant le LA-ICP-MS (Laboratoire Magmas-Volcans, Clermont-Ferrand).

Résultats

Depuis le commencement de ce projet au 01/11/2013, les objectifs de la première année ont été achevés :
- un doctorant, Alexis Grand’Homme, a été recruté dès le début du projet (01/11/2013)
- une mission de terrain (2 jours) a été organisée pour la collection de minéraux (monazite hydrothermale) dans les alpes (région de la Lauzière, Savoie, France) en collaboration avec des collègues français (A.-M. Boullier, R. de Ascencao Guedes) et internationaux (E. Gnos) impliqués dans l’ANR
- Les échantillons collectés ainsi que d’autres cristaux obtenus par le biais de collectionneurs (contact par R. de Ascencao Guedes , éditeur du Règne Minéral) ont été analysés par LA-ICP-MS (Clermont Ferrand, LMV, coll. With V. Bosse). Les résultats élémentaires (éléments de terres rares, U, Th) et isotopiques (U-Th-Pb) ont permis de dater plusieurs épisodes de cristallisation liés à des phases de déformation majeures. Les résultats montrent un diachronisme d’est en ouest en accord avec la position tectonique des différentes unités échantillonnées.
- Sur les 40 expériences hydrothermales anticipées pour la totalité du projet, 12 ont déjà été réalisées entre les laboratoires d’ISTerre (Grenoble, Coll. With F. Brunet) et du GET (Toulouse, Coll. With A.-M. Seydoux-Guillaume and D. Guillaume). Les produits expérimentaux (fluide et solide) ont été analysés par des méthodes de caractérisation complémentaires (MEB, microsonde électronique, LA-ICP-MS ; coll. With T. Pettke). Ces essais ont permis de valider un protocole expérimental pour les expériences à venir. Actuellement, 4 expériences hydrothermales supplémentaires sont en cours.

Perspectives

- En utilisant le protocole expérimental développé au cours de cette première année, il apparaît possible maintenant de caractériser la solubilité de la monazite et les fractionnements élémentaires en fonction de la T, du ligand, et des conditions redox. Pour cela, des expériences de longues durées sont actuellement en cours à 300, 400, 500 et 600 °C
- Particulièrement, un protocole a été mis au point pour calibrer la distribution de l’18O entre monazite et quartz. Cette calibration devrait être établie grâce à des mesures in-situ par microsonde ionique.
- Un des enjeux des observations sur échantillons naturels est de pouvoir corréler âges, température, et déformation. Des mesures isotopiques élémentaires et isotopiques sont actuellement envisagées pour tenter de reconstruire les conditions thermiques qui prévalaient lors de la croissance cristalline des monazites hydrothermales. Ces données devraient permettre la comparaison des U-Th-Pb âges monazites avec les études thermochronologiques obtenues par trace de fission dans la région.
- Du point de vue des datations, des collaborations sont actuellement en cours pour intégrer les données obtenues aux modèles géodynamiques.

Productions scientifiques et brevets

1) Roger De ASCENÇÃO GUEDES, Nicolas MEISSER, Emilie JANOTS, Alexis GRAND'HOMME, Philippe de PARSEVAL et Lilian SCHAUB; Thorite, dessauite-(Y), hingganite-(Y) et monazite-(Ce) au Mont-Cenis, Lanslebourg, Savoie ; Le règne minéral, Juillet-aout 2013.
2) A. Berger, E. Gnos, E. Janots, «Dating brittle tectonic movements with cleft monazite: Fluid-rock interaction and formation of REE-minerals« for publication in Tectonics.
3) A. Grand'Homme. Poster à l'atelier forstérite sur les systèmes chronométriques et leurs perturbations: applications aux Sciences de la Terre. Bonascre - Ax-les-Thermes, 1-4 octobre 2013

Partenaires

ISTERRE-UJF Institut des Sciences de la Terre

Aide de l'ANR 214 267 euros
Début et durée du projet scientifique novembre 2012 - 48 mois

Résumé de soumission

Dating hydrothermal mineralization is difficult because most chronometers are commonly reset in open system. Although monazite is rare in hydrothermal deposits, it is very attractive to date mineralization because it has a very robust isotopic system (U-Th-Pb) that retains the age of its precipitation. In presence of successive fluid circulations, monazite (re)crystallizes sporadically. Growth episodes are identifiable from zoning in trace elements composition (REE+Y, Th, U and Pb). Using in-situ high resolution techniques (spot size ~ 5µm), it is possible to date these distinct domains and to obtain the age of the successive mineralization stages. In monazite taken from Alpine clefts (Central Alps), preliminary SIMS U-Th-Pb dating gave very promising results. Results show that Miocene monazite can be dated with a resolution of 0.2 Ma. Within a single grain, it is possible to distinguish episodic growth stages separated by an interval <2Ma. Furthermore, monazite is zoned with extreme trace elements fractionation (Th/U up to 600), which remains to be understood.
The aim of this project is to investigate the potential of monazite as chronometer and geochemical tracer of fluid mineralization via detailed characterization of natural samples and hydrothermal experiments. The objectives are two-fold : (1) Obtaining monazite growth ages and growth duration for different areas of the Alps and to link them with the local deformation and exhumation history, (2) trying to understand chemical and isotopic behaviour of the REE+Y, Th and U during monazite/fluid interaction.
Project achievement will require a pluridisciplinar approach combining mineralogy, experimental petrology, geochronology and structural geology. For the experimental part (ISTerre, Grenoble), we expect to perform 32 experiments in cold-seal vessels in order to evaluate the role of monazite composition, T, fO2 and fluid speciation on the trace elements behaviour. For the natural case study, we dispose of large hydrothermal monazite crystals taken from different parts of the Alps. Identification of experimental and natural phases requires use of advanced and expensive analytical techniques, including XRD, EMP, SEM, TEM, FIB, LA-ICP-MS, SIMS and fluid inclusions analyses (GET, Toulouse). High-resolution Th-Pb isotopic age dating of cleft monazites will be obtained using LA-ICP-MS (Laboratoire Magmas-Volcans, Clermont-Ferrand). For the realization of the project, we demand for the funding of a PhD student.


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Programme ANR : JCJC - SIMI 6 - Système Terre, environnement, risques (JCJC SIMI 6) 2012

Référence projet : ANR-12-JS06-0001

Coordinateur du projet :
Madame Emilie JANOTS (Institut des Sciences de la Terre)
emilie.janots@nullujf-grenoble.fr

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.