The petrology and geochemistry of diverse crustal xenoliths, Tatara-San Pedro Volcanic Complex, Chilean Andes

Je remercie mes directeurs de thèse Michael Dungan et Brad Singer pour m'avoir donné l'opportunité de réaliser ce travail de recherche qui a bénéficié des bourses du Fonds National Suisse (projets: 20-42124-94 et 20-49730-96), et aussi d'une bourse de l'ASSN. Michael Dungan m'a introduit aux avatars des magmas calco-alcalins et a été toujours disponible pour discuter des problèmes de ma recherche. Brad Singer m'a initié à l'étude des plagioclases et à la géochronologie. L'impression du memoire a été finance par le Département de Minéralogie de l'Université de Genève, grâce à l'excellente gestion de Lluís Fontboté.

Je remercie Jon Davidson (University of California at Los Angeles), Alexander McBirney (University of Oregon), et Peter Ulmer (ETHZ) pour avoir accepté d'être jurés. Leurs commentaires m'ont aidé à clarifier plusieurs aspects scientifiques de la thèse.

J'ai bénéficié de nombreuses discussions avec beaucoup de personnes qui m'ont permis de mieux comprendre différents aspects de la thèse: Jenni Barclay, Sumit Chakraborty, Àngels Canals, Pere Enrique, Bernard Evans, Andrea Marzoli, Joan Carles Melgarejo, Joaquín Proenza, Martin Streck, Bruno Scaillet, et Jesús Solé.

Je suis reconaissant à beaucoup de personnes qui ont contribué à l'acquisition et au traitement des données: François Bussy (ME; Université de Lausanne), Bernard Grobety (TEM; Université de Fribourg), Richard Hinton (SIMS; University of Edinbourg), Rossana Martini (MEB, Université de Genève), Jaques Metzger (posters et diapositives; Université de Genève), Fleurice Parat (ME-apatites), Frank Ramos (TIMS; University of California at Los Angeles), Michael Rhodes et Andrew Wulff (XRF; University of Massachusetts), Yann Vincze et Thao Ton-That (Ar/Ar; Université de Genève), et Pia Voldet (ICP-AES; Université de Genève).

Je suis très reconnaissant envers Jean-Marie Boccard (lames minces), Gilbert Overney pour la résolution de toute sorte de problèmes techniques, Nancy Rihs pour toutes les recherches bibliographiques, et aussi envers Jaqueline Berthoud et Ursula Eigemann qui m'ont beaucoup aidé à gérer les affaires administratifs.

À tous mes copains et copines de Genève et Barcelona de qui j'ai reçu beaucoup d'encouragement et de soutien de toute sorte: Olivier Bachmann, Lionel Boulou, Massimo Chiaradia, Bernhard Dold, Yves Haberlin, Christian Huber, François Lieben, Robert Moritz, Catia Moschella, Marc Polliand, Thao Ton-That, Laura Webb, toute la troupe du troisième étage, Antoni Camprubí, Elisenda Carrasco, Mercè Ferrés, Magda Moner, Xavi Moreta, Marta Oriola, i Elisabet Vilar. Merci beaucoup à Fleurice Parat qui m'a aidé avec la traduction du premier chapitre et les remerciements que tu es en train de lire. Un très grand merci à Sophie Wolf pour son soutien scientifique, moral et sentimental.

Le Volcán Holocène San Pedro (1.5 km³) est l'édifice le plus jeune et le plus proéminent (3621 m) du complexe volcanique Quaternaire Tatara-San Pedro (TSP). Ce complexe est situé sur le front volcanique des Andes du Chili (36^o S, 71^o 51'W), dans la Zone Volcanique Sud. Le TSP (~ 55 km³) est composé de laves basaltiques à rhyolitiques qui définissent une lignée calco-alcaline moyennement à fortement potassique. De rares et petits xénolites (< 5 cm de diamètre) sont présents dans les laves et les dépôts pyroclastiques du TSP, mais les plus larges (< 50 cm) et plus abondants ont été trouvés dans une lave dacitique à biotite-hornblende du Volcán San Pedro. La plupart des xénolites sont gabbroïques (22 échantillons), mais de rares granites (1 échantillon) et roches métamorphiques (1 échantillon) ont également été échantillonnés.

Sur la base d'observations texturales et de compositions modales, deux groupes de xénolites gabbroïques ont été distingués: le Groupe I est constitué de mélanorites à olivine et de norites avec un verre interstitiel riche en SiO₂ (67-72 pds %). Le verre est limité par les cristaux euhedraux, suggérant qu'il est le résidu de la cristallisation et que ces xénolites sont probablement co-magmatiques avec le volcanisme Holocène. Le Groupe II consiste en des leuconorites à clinopyroxène et des norites à hornblende. Ceux-ci montrent des textures subsolidus (p.e., lamelles d'exsolution dans les pyroxènes) et des textures de déformation (p.e., lattes de plagioclase courbes) suggérant qu'ils sont des fragments du soubassement plutonique pré-Quaternaire du TSP. Malgré leur différence d'âge et d'origine, les deux groupes de xénolites montrent des textures de réaction entre les minéraux réfractaires précocement formés (olivine, Cr-spinelle, pyroxènes, ou plagioclase), et la hornblende ou la phlogopite. De nombreuses caractéristiques pétrologiques suggèrent que ces réactions ne sont pas dues à une cristallisation en système fermé mais reflètent des processus de migration de liquides et fluides aqueux: (1) Le rapport Na/Ca de la plupart des hornblendes des deux groupes de xénolites est élevé (0.3-0.7) comparé à celui des hornblendes des xénolites gabbroïques de zone de subduction ou aux hornblendes crystallisant lors d'expériences à faible pression. (2) Les xénolites du Groupe II montrent des concentrations en éléments traces et des rapports d'éléments incompatibles en accord avec une perte du liquide évolué et l'arrivée d'un fluide aqueux. (3) De microfractures remplies de hornblende et de phlogopite sont une évidence de migration de liquides et de fluides. (4) Les concentrations et rapports (élevé Cl/F) en halogènes des apatites suggèrent que celles-ci ont cristallisé à partir d'un liquide enrichi en fluides aqueux. (5) De nombreux plagioclases du Groupe I de xénolites sont constitués d'un coeur riche en anorthite (An_86-70) entouré d'une bordure beaucoup plus sodique (An_40-20). Le coeur et la bordure sont separées par une large variation de compositon entre 30-40 mol % d'anorthite. Les concentrations en Fe, Ti, K, Sr, Ba, La, et Ce suivent l'abrupt changement de concentration en éléments majeurs et suggèrent qu'après un premier épisode de différentiation basaltique à basaltique andésitique, le liquide interstitiel a changé rapidement à une composition beaucoup plus évoluée. Ceci peut s'expliquer par un processus de migration où le liquide mafique intercumulus a été remplacé par un liquide plus évolué, probablement dacitique. (6) La phlogopite des deux groupes de xénolites se caractérise par des teneurs anormalement élevées en Na₂O (1 à 5 pds %) et Na/K (jusqu'à 2.2) qui peuvent être partiellement expliquées par des réactions entre les minéraux mafiques et un liquide évolué riche en eau. Neanmoins, les analyses par microsonde électronique révèlent que ces phlogopites ne sont pas homogènes mais consistent en de fins enchevêtrements (< 2 µm) de phlogopite riche en Na et de phlogopite pauvre en Na. Ceci peut être expliqué par l'existence d'un solvus entre les phlogopites sodiques et calciques, par analogie au solvus présent dans les micas blanc sodiques (paragonite) et potassiques (muscovite).

Je propose que la plupart des caractères pétrologiques et compositionels des deux groupes de xénolites du Volcán San Pedro sont le résultat de processus de percolation impliquant la migration de liquides évolués et de fluides aqueux, soit par compaction de la pile de cumulat (p.e., filter pressing), soit par convection compositionelle. Les réactions entre les minéraux réfractaires précocement cristallisés (olivine, Cr-spinelle, pyroxène, ou plagioclase), et les liquides évolués ou fluides aqueux ont produit la hornblende (jusqu'à 50 vol. %) et la phlogopite (jusqu'à 12 vol. %) avec des compositions similaires à celles cristallisées à partir d'un magma mafique hydraté (p.e., forte teneur en Cr₂O₃). La grande abondance de hornblende dans les plutons ou xénolites gabbroïques calco-alcalins, comparée à la rareté de laves basaltiques ou basaltiques andésitiques à hornblende, peut s'expliquér par des processus de percolation en système ouvert analogues à ceux décris dans de nombreuses intrusions tholéiitiques litées (p.e., Skaergaard, Muskox, Bushveld, Stillwater) mais pas encore proposés pour les systèmes calco-alcalins.

The Holocene Volcán San Pedro (1.5 km³) is the youngest and most prominent volcanic edifice (3621 m) of the Quaternary Tatara-San Pedro Complex (TSPC), which is located on the volcanic front of the Southern Volcanic Zone of the Andes, at 36^o S, 71^o51'W. The TSPC (~ 55 km³) consists mainly of lavas ranging from basalt to rhyolite that define medium to high-K calc-alkaline trends. Scarce and small (<5 cm in diameter) xenoliths have been found throughout the lavas and pyroclastic deposits of the TSPC, but the largest (< 50 cm) and most abundant xenoliths occur in a biotite-hornblende dacite lava of Volcán San Pedro. Most of the xenoliths are gabbroic (22 samples), although scarce granites (1 sample) and metamorphic rocks (1 sample) were also collected.

On the basis of textural observations and modal compositions two groups of gabbroic xenoliths have been distinguished: Group I comprises olivine melanorites and norites bearing SiO₂-rich (67-72 wt %) glass. Glass is distributed in pockets bounded by euhedral crystal faces suggesting that it is residual from crystallization, and thus these xenoliths are potentially co-magmatic with the Holocene volcanism. Group II consists of clinopyroxene leuconorites and hornblende norites. These display subsolidus (i.e., exsolution lamellae in pyroxenes) and deformation textures (i.e., bent plagioclase laths) suggesting they are fragments of the pre-Quaternary plutonic basement of the TSPC. Despite their different ages and origins, both groups of xenoliths show reaction relations between early-formed refractory minerals (olivine, Cr-spinel, pyroxenes, or plagioclase) and late hornblende and phlogopite. A number of petrologic features suggest that these reactions are not due to closed-system crystallization, but are the result of melt and fluid migration: (1) The Na/Ca of most hornblendes of both groups of xenoliths is high (0.3-0.7) compared to hornblendes from other subduction-related gabbroic xenoliths or to hornblendes from low pressure experiments of basaltic to andesitic compositions. (2) Group II xenoliths display bulk-rock trace element concentrations and ratios of incompatible elements that are consistent with loss of evolved melt and arrival of an aqueous fluid. (3) Microfractures filled with hornblende and phlogopite are evidence of melt and fluid migration. (4) The halogen composition of apatite (high Cl/F) suggest that they crystallized from fluid-enriched melts. (5) Many plagioclases of Group I xenoliths are characterized by anortithe-rich cores (An_86-70) mantled by more sodic rims (An_40-20). Cores and rims are separated by a compositional gap of 30-40 mol % anorthite. Concentrations of Fe, Ti, K, Sr, Ba, La, Ce follow this abrupt major element shift and suggest that after an early episode of differentiation from basaltic to basaltic andesitic liquids, the interstitial melt changed abruptly to a dacitic composition. This is consistent with a melt migration event that displaced the mafic intercumulus liquid by a more evolved melt. (6) Phlogopite in both groups of xenoliths is characterized by unusually high Na₂O (1 to 5 wt %) and Na/K (up to 2.2) which can be partly explained by open-system processes involving migration of water-rich evolved melts and reaction with the pre-existing mafic minerals. However, electron microprobe analyses reveal that these phlogopites are not homogeneous but consist of fine intergrowths (< 2 µm) of Na-rich and Na-poor phlogopite. This is best interpreted in terms of a solvus between sodic and potassic phlogopite end-members, analogous to the solvus of the sodium (paragonite) and potassium (muscovite) white micas.

I propose that many compositional and petrological features of the two groups of gabbroic xenoliths from Volcán San Pedro are the result of open-system percolative processes involving migration of evolved melts and aqueous fluids, either by compaction of a cumulate pile (e.g., filter pressing), or by compositional convection. Reactions between early-crystallized refractory minerals (olivine, Cr-spinel, pyroxenes, or plagioclase) and evolved percolating melts and fluids have produced substantial amounts of hornblende (up to 50 vol. %) and phlogopite (up to 12 vol. %) with compositions that resemble those of early crystallization from hydrous mafic magmas (e.g., high Cr₂O₃ contents). It is argued that the abundance of hornblende in calc-alkaline gabbroic plutons and xenoliths compared to its paucity in basaltic or basaltic andesitic lavas can be explained by open-system percolative processes analogous to those documented for many layered tholeiitic intrusions (e.g., Skaergaard, Muskox, Bushveld, Stillwater) but not reported for calc-alkaline systems.

El Volcán San Pedro (1.5 km³) és el més jove (Holocè) i prominent edifici volcànic (3621 m) del complex Quaternari Tatara-San Pedro (TSP). El TSP (~ 55 km³) es troba en el front volcànic dels Andes de Xile (36^o S, 71^o 51' W), en l'anomenada Zona Volcànica Sud. La major part del TSP consisteix en laves amb composicions d'andesita basàltica (80 vol%) de tendència calcoalcalina amb continguts mitjans a alts en K. En un gran nombre de laves i dipòsits piroclàstics del TSP s'han trobat petits xenòlits(< 5 cm de diàmetre), però els més grans (< 50 cm) i abundants s'han trobat en una lava dacítica amb biotita i hornblenda del Volcán San Pedro. La majoria dels xenòlits són gabroics (22 mostres), però excepcionalment també s'han reconegut granits (1 mostra) i roques metamòrfiques (1 mostra).

En base a observacions texturals i composicions modals he dividit els xenòlits en dos grans grups. Els xenòlits del Grup I són melanorites i norites amb olivina i estan caracteritzats per la presència de vidre ric en SiO₂ (67-72 wt%). El vidre es troba reblint espais intersticials limitats per cristalls euhedrals i per tant aquests xenòlits són probablement comagmàtics amb el volcanisme Holocè. Els xenòlits del Grup II són leuconorites amb clinopiroxè i norites amb hornblenda. Aquests xenòlits presenten textures subsòlidus (p.e., lamel·les d'exsolució en piroxens) i de deformació (plagiòclasi amb macles corbes), el que suggereix que són fragments de roques del sòcol plutònic pre-Quaternari del TSP. Tot i que els dos grups de xenòlits són d'edats i d'orígens diferents, ambdós presenten nombroses textures de reacció entre minerals refractaris de cristal·lització primerenca (olivina, espinel·la cromífera, piroxens, o plagiòclasi) i l'hornblenda o la flogopita. Un gran nombre de característiques petrològiques indiquen que aquestes reaccions no són degudes a la cristal·lització en sistema tancat, sino a processos de migració de foses i fluids aquosos: (1) El Na/Ca de la majoria d'hornblendes és elevat (0.3-0.7), comparat amb els valors d'hornblendes presents en d'altres xenòlits gabroics de zones de subducció, o bé a hornblendes cristal·litzades en experiments de baixa pressió a partir de líquids basàltic o andesítics. (2) Les concentracions d'elements traça i les relacions d'elements incompatibles dels xenòlits del Grup II poden explicar-se mitjançant l'expulsió del líquid intersticial, ric en elements incompatibles, i per l'arribada d'un fluid aquós. (3) La presència de microfractures reblertes d'hornblenda i flogopita és evidència de migració de foses i fluids aquosos. (4) L'elevada relació Cl/F de les apatites suggereix que aquetes van cristal·litzar a partir d'una fosa enriquida en fluids aquosos. (5) La majoria de plagiòclasis dels xenòlits del Grup I estan zonades: presenten un nucli anortític (An_86-70) envoltat per una vora molt més albítica (An_40-20). Nuclis i vores estan separats per un canvi composicional abrupte de 30-40 mol % d'anortita. Els elements traça (Fe, Ti, K, Sr, Ba, La i Ce) també mostren variacions de concentració abruptes entre nuclis i vores. Aquests grans canvis composicionals són difícils d'explicar segons un model de cristal·lització en sistema tancat i, més aviat, suggereixen una situació en la qual el líquid màfic intersticial, en equilibri amb minerals refractaris de cristal·lització primerenca, va ésser reemplaçat per un líquid més evolucionat, probablement dacític. (6) La flogopita d'ambdós grups de xenòlits està caracteritzada per continguts inusualment elevats en Na₂O (1-5 wt%) i per relacions elevades de Na/K (fins a 2.2). Això es pot explicar mitjançant processos de migració de foses o fluids i reacció amb els minerals preexistents. Tanmateix, les anàlisis de microsonda electrònica mostren que les flogopites no són homogènies i que consisteixen en fins intercreixements (< 2 µm) de flogopita rica en Na i flogopita. Això es pot explicar per la presència d'un solvus entre les flogopites sòdiques i les potàssiques, anàleg al solvus que existeix entre les miques blanques sòdiques (paragonita) i potàssiques (moscovita).

Proposo que moltes de les caraterístiques petrològiques i composicionals d'ambdós grups de xenòlits són el resultat de processos de migració de foses evolucionades o fluids aquosos a través d'una xarxa de cristalls preexistent. La migració de foses va tenir lloc mitjançant l'anomenada convecció composicional (xenòlits del Grup I) o bé mitjancant compactació dels cumulats o 'filter pressing' (xenòlits del Grup II). Les reaccions entre els minerals refractaris que formaven la xarxa de cristalls i foses evolucionades o fluids aquosos han donat lloc a grans quantitats d'hornblenda (fins a 50 vol %) i flogopita (fins a 12 vol%). Proposo que la gran abundància de plutons i xenòlits gabroics calcoalcalins amb hornblenda, comparada amb l'escassa presència de basalts o andesites basàltiques amb hornblenda, pot explicar-se mitjançant processos de migració de foses evolucionades o fluids aquosos comparables als que s'han descrit en nombroses intrusions toleítiques (p.e., Skaergaard, Muskox, Bushveld, Stillwater), però encara no proposades per a sistemes plutònics calcoalcalins.

El Volcán San Pedro (1.5 km³) es el más joven (Holoceno) y prominente edificio volcánico (3621 m) del complejo Quaternario Tatara-San Pedro (TSP). El TSP (~ 55 km³) se encuentra en el frente volcánico de los Andes de Chile (36^o S, 71^o 51' W), en la llamada Zona Volcánica Sur. La mayor parte del TSP consiste en lavas con composiciones de andesita basáltica (80 vol%) con una tendencia calcoalcalina y contenidos medios a altos en K. En un gran número de lavas y depósitos piroclásticos del TSP se han encontrado pequeños xenolitos (< 5 cm de diámetro), pero los más grandes (< 50 cm) y abundantes se han encontrado exclusivamente en una lava dacítica con biotita y hornblenda del Volcán San Pedro. La mayoría de los xenolitos son gabroicos (22 muestras), pero excepcionalmente también se han reconocido granitos (1 muestra) y rocas metamórficas (1 muestra).

En base a observaciones texturales y composiciones modales he dividido los xenolitos en dos grupos. Los xenolitos del Grupo I son melanoritas y noritas con olivina, y están caracterizados por la presencia de vidrio rico en SiO₂ (67-72 wt%). El vidrio se encuentra en espacios intersticiales limitados por cristales euhedrales, y por tanto estos xenolitos son probablemente comagmáticos con el volcanismo Holoceno. Los xenolitos del Grupo II son leuconoritas con clinopiroxeno y noritas con hornblenda. Estos xenolitos presentan texturas subsólidus (p.e., lamelas de exsolución en piroxenos) y de deformación (plagioclasa con maclas curbas), lo que sugiere que son fragmentos de rocas del zócalo plutónico pre-Quaternario del TSP. Aunque los dos grupos de xenolitos son de edades y orígenes diferentes, ambos presentan numerosas texturas de reacción entre minerales refractarios de cristalización temprana (olivina, espinela cromífera, piroxenos, o plagioclasa) y la hornblenda o la flogopita. Un gran número de características petrológicas indican que estas reacciones no son debidas a la cristalización en sistema cerrado, sino a procesos de migración de fundidos y fluidos acuosos: (1) El Na/Ca de la mayoría de hornblendas es elevado (0.3-0.7), comparado con los valores de hornblendas presentes en otros xenolitos gabroicos de zonas de subducción, o bien a hornblendas cristalizadas en experimentos de baja presión a partir de líquidos basálticos o andesíticos. (2) Las concentraciones de elementos traza y las relaciones de elementos incompatibles de los xenolitos del Grupo II pueden explicarse mediante la expulsión del líquido intersticial, rico en elementos incompatibles, y por la venida de un fluido acuoso. (3) La presencia de microfracturas llenas de hornblenda y flogopita es evidencia de migración de fundidos y fluidos acuosos. (4) La elevada relación Cl/F de las apatitas sugiere que éstas cristalizaron a partir de un fundido enriquecido en fluidos acuosos. (5) La mayoría de plagioclasas de los xenolitos del Grupo I están zonadas: presentan un nucleo anortítico (An_86-70) envueltos por un margen mucho más albítico (An_40-20). Nucleos y margenes están separados por un abrupto cambio composicional de 30-40 mol % de anortita. Las zonaciones en elementos traza (Fe, Ti, K, Sr, Ba, La y Ce) también muestran abruptas variaciones de concentración entre nucleos y margenes. Estos grandes cambios composicionales son difíciles de explicar según un modelo de cristalización en sistema cerrado y mas bien sugieren una situación en la cual el líquido máfico intersticial, en equilibrio con minerales refractarios de cristalización temprana, fue remplazado por un líquido mucho más evolucionado, probablemente dacítico. (6) La flogopita de ambos grupos de xenolitos está caracterizada por contenidos inusualmente elevados en Na₂O (1-5 wt%) y por relaciones elevadas de Na/K (fins a 2.2). Esto se puede explicar según procesos de migración de fundidos o fluidos y reacción con los minerales preexistentes. Sin embargo, los análisis de microsonda electrónica ponen en evidencia que las flogopitas no son homogeneas y que consisten en finos intercrecimientos (< 2 µm) de flogopita rica en Na y flogopita. Esto puede explicarse con la presencia de un solvus entre las flogopitas sódicas y las potásicas, análogo al solvus que existe entre las micas blancas sódicas (paragonita) y potásicas (moscovita).

Propongo que muchas de las caraterísticas petrológicas y composicionales de ambos grupos de xenolitos son el resultado de procesos de migración de fundidos evolucionados o fluidos acuosos a traves de una red de cristales preexistente. La migración de fundidos se produjo mediante la llamada convección composicional (xenolitos del Grupo I) o bien mediante compactación de los cumulatos o 'filter pressing' (xenolitos del Grupo II). Las reacciones entre los minerales refractarios que formavan la red de cristales y fundidos evolucionados o fluidos acuosos dieron lugar a grandes cantidades de hornblenda (hasta 50 vol %) y flogopita (hasta 12 vol%). Propongo que la gran abundancia de plutones y xenolitos grabroicos calcoalcalinos con hornblenda, comparada con la escasa presencia de basaltos o andesitas basálticas con hornblenda, puede explicarse mediante procesos de migración de fundidos evolucionados o fluidos acuosos comparables a los que se han descrito en numerosas intrusiones toleíiticas (p.e., Skaergaard, Muskox, Bushveld, Stillwater), pero todavía no propuestos en sistemas plutónicos calcoalcalinos.