The petrogenesis of the older ( > 3.0 Ga) potassic granitoids of eastern Mpumalanga (South Africa) and Swaziland : an investigation of crustal formation processes in the early Earth

La pétrogenèse des granitoïdes potassiques plus anciens ( > 3,0 Ga) du Mpumalanga oriental (Afrique du Sud) et du Swaziland : une étude des processus de formation de la croûte terrestre au début du siècle dernier

• Auteur / Autrice : Cynthia Sanchez-Garrido
• Direction : Hervé Martin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géochimie Isotopique
• Date : Soutenance le 28/06/2012
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Magmas et Volcans
• Jury : Président / Présidente : Christopher Harris
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gary Stevens, Jean-François Moyen, Régis Doucelance
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Daniel Vielzeuf, René Heyn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pétrogenèse

Mots clés libres

Granites paléoarchéens

Péralumineux

LU-Hf

Sm-Nd

Δ18O

Paleoarchean granites

Peraluminous

LU-Hf

Sm-Nd

Δ18O

Résumé

La croûte de granitoïdes de la Terre Primitive la plus ancienne qui ait été préservée remonte au Paleoarchéen et se compose principalement de granitoïdes sodiques tonalite-trondhjémite-granodiorite (TTG) qui se sont formés par fusion partielle de métabasaltes hydratés. En revanche, les granites (stricto sensu) sont en général postérieurs aux TTG et apparaissent tardivement dans les cratons anciens.Cependant, l’existence de zircons Hadéens préservant des suites d’inclusions minérales qui sont compatibles avec la cristallisation à partir d’un magma granitique peralumineux, indique que les roches granitiques faisaient aussi partie de la croûte felsique de la Terre Primitive; même si nous n’avons pas de preuves directes et que cette dernière n’ait pas conservée. Dans cette thèse, je présente une variété inhabituelle de granites et rhyolites peralumineux qui sont marqués par un forte teneur en K2O et une faible teneur en CaO et qui possèdent du rutile. Ces roches sont situées dans le conglomérat basal du Groupe du Moodies (Afrique du Sud). Elles défient la vision commune que l’on a de l’évolution des cratons Archéens puisqu’elles ont été produites en même temps que des magmas TTG, pendant trois cycles magmatiques qui ont affectés la ceinture de roches vertes de Barberton (CRVB). Ces roches ont été par la suite mises en place, comme galets, dans un conglomérat plus jeune.L’étude des inclusions minérales localisées dans des zircons présents dans les granites et les rhyolites qui font le sujet de cette étude, montre que les inclusions de feldspaths alcalins sont plus abondantes que les inclusions de plagioclases et démontre que les principales caractéristiques de ces granites, c’est à dire qu’ils sont riches en K et pauvres en Ca, ont une signature magmatique. La signature isotopique de l’oxygène de ces zircons révèle que ceux-ci ont conservé la valeur du δ18O du magma à partir duquel les granites se sont formés. De plus ceci montre que la valeur du δ18O de la source des granites etait proche de celle de TTG contemporains. La poursuite de l’étude des zircons montre que leur système isotopique Lu-Hf reflète la signature crustale du magma dans lequel ils ont cru. L’étude Sm-Nd des granites et rhyolites indique que l’âge minimum du protolithe de leur source est de près de 3,9 milliards d’années, ce qui est en accord avec la signature Lu-Hf des zircons. De plus, je montre dans cette thèse que le caractère peralumineux des granites et des rhyolites, avec leur forte teneur en Sr et basse teneur en Ca associés à leurs Eu / Eu * ~ 1, est une conséquence de la fusion partielle de phengite dans une source métagrauwacke à des pressions supérieures a celle de la stabilité du plagioclase. Mon travail montre donc que des granites peralumineux riches en K et pauvres en Ca ont été générés durant le Paléo et Méso-Archéen, aux côtés des TTG sodiques, par la fusion partielle de sédiments, à haute pression. Non seulement ce processus a démontré la capacité de la Terre Primitive à recycler du matériel relativement jeune et ce, dès 3,9 milliards d’années; mais il a également contribué à chaque épisode de croissance crustale à travers le Paleo- et Méso-Archéen dans la CRVB, malgré l’absence de pluton mis en place à des profondeurs identiques à celles des TTG.

Earth’s oldest preserved granitoid crust dates back to the Paleoarchean and consists predominantly of sodic tonalite-trondhjemite-granodiorite (TTG) granitoids that arose through the partial melting of hydrated metabasalts. In contrast, granites (sensu stricto) typically postdate the TTG and appear late in the plutonic record of the old cratons. However, the existence of Hadean zircons with mineral inclusion suites that are consistent with crystallization from peraluminous granitic magmas indicates that granitic rocks formed part of the earliest felsic crust; although we have direct evidence, this earliest felsic crust is not preserved. In this PhD I present an unusual variety of markedly CaO-poor, K2O-rich, rutile-bearing, peraluminous granite and rhyolite that are located in the basal conglomerate of the Moodies Group (South Africa). These rocks challenge the common view of the Archean craton evolution as they were produced concurrently with TTG magmas during three magmatic cycles in the Barberton Greenstone Belt (BGB) and were later emplaced, as clasts, in a younger conglomerate. The study of mineral inclusions located in the zircons present within the granites and rhyolites, shows that alkali feldspar inclusions are abundant relative to plagioclase inclusions and demonstrates that the main characteristics of these granites, i.e. they are K-rich and Ca-poor, are a magmatic signature. The oxygen isotope signature of these zircon grains reveals that the zircons have preserved the δ18O value of the magma from which the granites originated and that the source of the granites had a magmatic oxygen isotope value close to the one of the regional coeval TTG. Further study of the zircons shows that their Lu-Hf isotopic system reflects the crustal signature of the magma into which they grew. Sm-Nd study of the granites and rhyolites whole rock indicates that the minimum age of the source’s protolith of the granites and rhyolites is close to 3.9 billion years, which is in agreement with the zircons’ Lu-Hf signature. Additionally I show in this thesis that the peraluminous character of the granites and rhyolites, along with their high Sr and low Ca content associated to their Eu/ Eu* ~ 1 is a consequence of phengite melting in a metagreywacke source at pressures in excess of plagioclase stability. My work therefore illustrates that K-rich, Ca-poor peraluminous granites were generated in the Paleo and Meso Archean, alongside with the sodic TTG, through partial melting of sediments at high pressures. Not only has this process demonstrated the ability of the early Earth to recycle relatively young material since 3.9 billions years ago, but it has also contributed to each episode of continental crustal growth through the Paleoarchean to Mesoarchean in the BGB, despite leaving no plutonic record at the typical mid-crustal level of exposure that the TTG plutons around the belt represent.