Cette thèse explore les processus qui génèrent des plutons granitiques dans la croûte continentale, en se concentrant sur les systèmes magmatiques transcrustaux. Les granites représentent une composante importante de la croûte continentale supérieure, et la compréhension de leur formation est cruciale pour comprendre la différenciation de la croûte. Plus précisément, deux modèles de membres finaux sont invoqués pour expliquer les roches magmatiques qui forment la croûte continentale : la cristallisation fractionnée d'une fusion partielle du manteau ou la fusion de lithologies crustales. Cependant, les deux processus opèrent généralement ensemble, de sorte qu'une fraction substantielle des magmas siliciques continentaux sont effectivement hybrides dans leur composition, mais les contributions respectives des membres finaux de la croûte et du manteau restent difficiles à déterminer.
Ce travail intègre des observations de terrain et pétrographiques, la géochimie élémentaire-isotopique minérale LA-IPC-MS en vrac et in situ, en mettant l'accent sur le zircon et l'apatite en tant qu'enregistreurs des processus magmatiques opérant dans la croûte inférieure. Deux zones clés sont étudiées en détail : la zone d'Ivrea-Verbano (IVZ) et le Massif central français (FMC), qui appartiennent tous deux au même cycle orogénique mais présentent des mécanismes de formation de granite contrastés. Dans le FMC, la fusion partielle de la croûte a été un processus dominant dans la formation des plutons de la croûte supérieure, tandis que dans la ZIV, l'interaction entre les magmas dérivés du manteau et les apports crustaux a conduit au développement de granites hybrides.
Les analyses de terrain et géochimiques dans la croûte inférieure de l'IVZ identifient une zone d'hybridation « gelée », révélant deux étapes clés de l'évolution magmatique : (i) une phase d'hybridation initiale, suivie de (ii) la différenciation au sein d'un système de champignons à haute cristallinité. Le zircon et l'apatite donnent un aperçu de l'évolution de la composition de ces magmas, reliant les cumulats de la croûte inférieure aux plutons granitiques hybrides de la croûte supérieure. En outre, les résultats obtenus avec le zircon et l'apatite indiquent collectivement que le système de la croûte inférieure a mûri sur une période de 15 à 30 millions d'années, ce qui est nettement plus long que les modèles proposés précédemment.
En étendant le champ d'investigation à l'échelle lithosphérique, nous caractérisons les compositions isotopiques de différentes lithologies afin d'évaluer les proportions de mélange des membres potentiels. Les résultats suggèrent qu'une assimilation crustale de 35-60% a contribué à la formation de produits hybrides, des cumulats mafiques/intermédiaires aux granites. En comparant ces résultats avec ceux du FMC, où les contributions intracrustales à la formation des granites sont significativement plus importantes, cette recherche fournit des perspectives potentielles qui peuvent guider de futurs travaux étudiant le contrôle des processus géodynamiques dans les systèmes magmatiques dominés par la croûte ou par le manteau (tous deux potentiellement hybrides). Dans l'ensemble, cette thèse met en évidence l'importance des processus crustaux inférieurs dans la génération des magmas granitiques et remet en question les modèles traditionnels qui considèrent la formation des granites comme des produits purement crustaux ou dérivés du manteau (différencié). Des processus similaires peuvent opérer dans d'autres régions orogéniques, suggérant que les processus d'hybridation et de différenciation dans la croûte inférieure jouent un rôle critique dans la formation de la composition de la croûte continentale. |
This thesis explores the processes that generate granitic plutons within the continental crust, focusing on transcrustal magmatic systems. Granites represent a significant component of the upper continental crust, and understanding their formation is crucial for understanding crustal differentiation. Specifically, two endmember models are invoked to explain magmatic rocks that form the continental crust: fractional crystallization of partial melt from the mantle or melting of crustal lithologies. However, both processes generally operate together, such that a substantial fraction of continental silicic magmas are effectively hybrid in composition, but the respective contributions of both crustal and mantle endmembers remain difficult to address.
This work integrates field and petrographic observations, bulk-rock and in situ LA-IPC-MS mineral elemental-isotopic geochemistry, with a focus on zircon and apatite as recorders of magmatic processes operating in the lower crust. Two key areas are studied in detail: the Ivrea-Verbano Zone (IVZ) and the French Massif Central (FMC), both of which belong to the same orogenic cycle but exhibit contrasting granite formation mechanisms. In the FMC, crustal partial melting was a dominant process in forming upper crustal plutons, whereas in the IVZ, the interaction between mantle-derived magmas and crustal contributions led to the development of hybrid granites.
Field and geochemical analyses in the IVZ's lower crust identify a "frozen" hybridization zone, revealing two key stages of magmatic evolution: (i) an initial hybridization phase, followed by (ii) differentiation within a high-crystallinity mush system. Zircon and apatite provide insights into the compositional evolution of these magmas, linking lower crustal cumulates to hybrid granitic plutons in the upper crust. Moreover, zircon and apatite results collectively indicate the system in the lower crust matured over a period of 15–30 Myr, significantly longer than previously proposed models.
Expanding the scope of investigation to the lithospheric scale, we characterize the isotopic compositions of different lithologies to assess mixing proportions of potential endmembers. Results suggest that 35–60% crustal assimilation contributed to the formation of hybrid products, from mafic/intermediate cumulates to granites. Comparison of these results with the FMC, where intracrustal contributions to the formation of granites is significant more important, this research provides potential outlook that may guide future works investigating the control of geodynamic processes in crustal-dominated or mantle-derived dominated magmatic systems (both potentially hybrids). Overall, this thesis highlights the importance of lower crustal processes in generating granitic magmas and challenges traditional models that view granite formation as purely crustal or (differentiated) mantle-derived products. Similar processes may operate in other orogenic regions, suggesting that hybridization and differentiation processes in the lower crust play a critical role in shaping the composition of the continental crust. |