Hydrogen isotope fractionations between amphiboles, micas, and fluids in alkaline igneous intrusions

RÉSUMÉ DE LA THÈSE Les teneurs des amphiboles en éléments majeurs et en isotopes stables ont été analysées dans plusieurs complexes ignés alcalins et hyperalcalins, dans le but de déterminer l'importance des variations de composition des minéraux pour le fractionnement isotopique de l'hydrogène dans un système naturel minéral-magma-fluide. Cette étude se concentre principalement sur les syénites néphéliniques de complexes intrusifs alcalins bien connus mais à chimie variable, dont les amphiboles, ainsi que d'autres silicates hydratés tels que micas et eudialytes, lorsque cela était possible, ont été séparés. L'intérêt principal s'est porté sur le complexe alcalin d'Ilímaussaq de la Province du Gardar, au Sud du Groenland. Dans une optique de comparaison, nous avons collecté et analysé d'autres échantillons provenant du complexe de Tugtutôq (Sud Groenland), des complexes de Khibina et Lovozero (Péninsule de Kola, Russie), du Mont St-Hilaire et du Mont Royal (Canada) et de 6 autres du nord-ouest de la Namibie (Cape Cross, Okenyenya, Messum, Etaneno, Kalkfeld,et Okorusu). Les compositions isotopiques de l'hydrogène des amphiboles des ces différentes zones présentent de grandes variations (-227 à -700/00), ce qui est atypique pour des magmas d'origine mantellique. Les valeurs comprises entre -80 et -400/00 indiquent une provenance du manteau. Ces larges variations de compositions ainsi que l'extrême appauvrissement en isotope lourd de l'hydrogène (D), en comparaison avec d'autres roches ignées, semblent être propres.aux roches alcalines et hyperalcalines de ce type, ce qui indiquerait un processus commun. Les différents complexes alcalins choisis présentent un large intervalle de composition chimique des amphiboles. La caractérisation des amphiboles par microscopie électronique et par spectroscopie Mössbauer contribuent à observer le contrôle du Fe sur le fractionnement des isotopes de l'hydrogène. En effet, cela a mis en évidence un contrôle du Fe sur le fractionnement et même, dans le cas du complexe hyperalcalin d'Ilímaussaq, une relation entre le rapport Fei3+/FeT et les variations du rapport D/H. Les complexes étudiés diffèrent de par leur index agpaïtique (Na+K/Al) et également de par leur contenu en fer. Les plus hautes valeurs en Fe (27-35 wt%) et en éléments alcalins dans les amphiboles, ainsi que les teneurs de D/H les plus basses et leur grande variation, sont celles du complexe d'Ilímaussaq. Les amphiboles de la Péninsule de Kola et du Canada sont similaires, mais toutefois moins appauvries en D. En ce qui concerne les amphiboles des complexes du NO de la Namibie, elles présentent des compositions isotopiques de l'hydrogène magmatiques normales (-73 à -100 0/00), contiennent moins de Fe (15-17 wt%) et sont fortement enrichies en Ca et moins en Na. Dans ce cas, l'alcalinité est moins importante en comparaison des autres complexes étudiés. En dehors des teneurs en éléments alcalins des amphiboles, l'alcalinité des fluides s'avère également un facteur important, ce qui est cohérent avec certaines suggestions à partir de systèmes expérimentaux. Afin de mieux contraindre ce facteur, des expériences d'échanges hydrothermaux entre les amphiboles et les fluides de salinité différente ont été effectuées en simulant des conditions naturelles. L'approximation d'amphiboles naturelles de complexes ignés alcalins, couplée aux expériences d'échange, aide à préciser les facteurs contrôlant le fractionnement des isotopes de l'hydrogène dans les roches alcalines. Les valeurs extrêmement basses de 3D des amphiboles de ces complexes alcalins peuvent être dues à une combinaison de différents facteurs, telles qu'une haute alcalinité, une haute teneur en Fe et une faible profondeur d'intrusion. Les grandes variations ainsi que les faibles valeurs de SD des amphiboles étudiées peuvent résulter d'un processus magmatique interne et il est peu probable que de l'eau météorique soit impliquée et/ou que le dégazage magmatique ait joué un rôle. THESIS ABSTRACT Major element and stable isotope compositions of amphiboles were analyzed from a number of alkaline and peralkaline igneous complexes in order to determine the importance of compositional variations in minerals to hydrogen isotope fractionations in natural mineral-melt-fluid systems. The thesis mainly focuses on nepheline syenites of well-studied, but chemically variable alkaline intrusive rocks, from which amphiboles and, if possible, other hydrous silicates such as micas and eudialytes were separated. The system of primary interest was the alkaline Ilímaussaq Complex of the Gardar Province of South Greenland. For the purpose of comparison additional samples were collected and examined from the Tugtutôq Complex (South Greenland), the Khibina and Lovozero Complexes (Kola Peninsular, Russia), Mount St-Hilaire and Mount Royal (Canada) and six further complexes from NW Namibia (Cape Cross, Okenyenya, Messum, Etaneno, Kalkfeld, and Okorusu). The hydrogen isotope compositions of amphiboles from the localities studied differ greatly, which is atypical for amphiboles from mantle, range between - 227 and - 700/00 (latter compatible with a simple mantle origin). As this wide range in compositions and the extreme depletion in the heavy hydrogen isotope (D) content relative to other igneous rocks appear to be unique to alkaline to peralkaline rocks of this type, a common process is indicated. The different alkaline complexes chosen cover a wide range of amphibole chemical compositions. Detailed chemical characterization of amphiboles by electron microprobe and Mössbauer spectroscopy analyses helped to constrain the control of Fe on the H-isotope fractionations. Complete characterization of the chemical compositions of the amphiboles support Fe-control on fractionations and at least for the peralkaline Ilímaussaq complex a relationship between Fe3+/FeT ratios and variations in D/H. The studied complexes differ in their agpaitic index (Na+K/Al) and also in their Fe-content. The most iron (27-35 wt. %) and alkaline element rich amphiboles, with the lowermost D/H ratio, as well with very wide range, are the ones from Ilímaussaq complex. Similar, but less D depleted amphiboles are from the Kola Peninsula and the Canadian localities. The complexes described from NW Namibia have amphiboles with normal magmatic hydrogen isotope composition (-730/00 to -1000/00), and have less Fe-content (15-17 wt. %), and are more Ca-and less Na-rich. In this case alkalinity is not that important in comparison to the other studied complexes. Beside the alkaline element contents in the amphiboles, the alkalinity of the fluids has been found to be an important factor, in conjunction with earlier suggestions from experimental systems. To further constrain this factor, hydrothermal exchange experiments between amphiboles and fluids of different salinity simulating natural conditions were performed. The approach of examining natural amphiboles from alkaline igneous complexes in parallel to performing exchange experiments - helped to further constrain the factors controlling the H-isotope fractionations in alkaline rocks. The observed changes between the hydrogen and oxygen isotope compositions of amphiboles and fluids before and after the experiments suggest that another phase was produced during the experiments, which influenced the final hydrogen isotope composition of the system. This presumably hydrous phase has also influenced the Fe3 +/Fe2+ ratio of the amphiboles, which became more oxidized. The extremely low SD values of amphiboles in these alkaline complexes may be due to a combination of different factors such as high alkalinity, high Fe-content, and shallow intrusion depths. This wide range and the low SD values of the amphiboles studied might be a result of internal, magmatic processes and it is unlikely that meteoric water was involved and/or magmatic degassing played an important role. RÉSUMÉ DE LA THÈSE (pour le grand public) Fractionnement isotopique de l'hydrogène entre amphiboles, micas et fluides dans des intrusions alcalines Zsófia Wáczek Directeur de thèse, Prof. Torsten W. Vennemann Institut de Minéralogie et Géochimie, Université de Lausanne Les roches alcalines et celles qui leurs sont associées sont des sources importantes de nombreux minéraux et minerais, tels l'apatite, le niobium, le diamant et autres pierres précieuses. Cette étude se concentre sur des complexes alcalins localisés dans le sud du Groenland, au Canada, dans la péninsule de Kola en Russie et au nord-ouest de la Namibie. Ces complexes sont composés de roches ayant cristallisé à partir de magmas et de fluides très enrichis en alcalins. Cet enrichissement permet la précipitation de minéraux inhabituels riches en potassium et/ou sodium, telles les amphiboles sodiques, également enrichies en fer. Les amphiboles étudiées ont des compositions calciques, sodi-calciques et sodiques, qui reflètent leurs différents environnements de formation. Des études précédentes ont révélé une large gamme de rapports isotopiques de l'hydrogène dans les amphiboles de roches hyperalcalines, dont certains extrêmement bas. Cette variation importante est très intrigante, sachant que des valeurs entre -40 et -800/00 correspondent à des silicates ignés hydratés et non altérés, alors que des valeurs descendant jusqu'a -1500/00 nécessiteraient une altération par de l'eau météorique et/ou une contamination par les roches environnantes ou des sédiments riches en matière organique. Dans lé cas précis du complexe d'Ilímaussaq (sud du Groenland), aucune de ces explications n'a pu être démontrée et des valeurs encore plus faibles ont été trouvées. Le complexe d'Ilímaussaq présente des valeurs de rapport isotopique de l'hydrogène entre -227 et -500/00 dans les amphiboles. Une origine mantellique permet d'expliquer les valeurs élevées, mais d'autres processus doivent entrer en jeu pour engendrer les valeurs les plus négatives. C'est à l'identification de ces proce

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