Thèse Année : 2024

Geochemical investigation of the fluid records and recycling of a Palaeoarchean silicified seafloor in the Barberton granitoid-greenstone terrain (3.5-3.2 Ga, South Africa)

Étude géochimique des enregistrements de fluides et du recyclage du plancher océanique silicifié dans les roches paléoarchéennes de la région de Barberton (3.5-3.2 Ga, Afrique du Sud)

Lungele Steve Kitoga
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1627066
  • IdRef : 283537175

Résumé

Silica-rich rocks generated on the Palaeoarchean seafloor could preserve crucial information about the composition and temperature of the hydrothermal fluids and seawater that existed on the early Earth. Furthermore, isotopic studies have identified the recycling of these rocks into the source zone of tonalite-trondhjemite-granodiorites (TTG) constituting the core of early continents. Conducted in the Barberton Granitoid-Greenstone terrain (3.5-3.1 Ga, South Africa), this study focuses on silica-rich rocks to constrain fluid compositions and geodynamic operations on the early Earth.Firstly, petrographic, geochemical and thermometric data allow determining the elemental composition and temperature of the Paleoarchean hydrothermal fluids that generated the silicified lavas and cherts occurring in the Onverwacht Group of the studied terrain. The acquired data allow distinguishing petrographic and geochemical effects of regional metamorphism and meteoritic fluid circulations from those of the silicifying hydrothermal fluids. Collectively, the studied rocks are found to have undergone regional metamorphism that re-equilibrated their mineralogical assemblages without affecting significantly their bulk-rock elemental composition. Late-stage circulations of oxidised weathering fluids testified by Ce anomalies modified also the composition of a few samples. Based on compositional features that were not considerably modified by late-stage processes, the silicifying hydrothermal fluids are shown to have been free of positive Eu anomaly unlike most high-temperature hydrothermal fluids, and to have featured a relatively low temperature (>150 °C).Secondly, the O and Si isotope compositions of the silicifying hydrothermal fluids and Palaoeoarchean seawater are discussed using the isotopic composition of pervasively silicified lavas and sediments. Similarity of δ30Si values in silicified lavas and sediments and in seawater-precipitated cherts is interpreted to show that the Palaeoarchean hydrothermal fluids and seawater might have been undistinguishable in terms of Si isotope composition. Besides, the isotope composition of silicified clastic sediments and lavas is different from that of seawater-precipitated cherts and reflects lower δ18O values for the silicifying hydrothermal fluids compared to modern analogues. While the O isotope composition of hydrothermal fluids points towards a low-δ18O Palaeoarchean seawater, post-depositional modification of seawater-precipitated cherts due to interaction with hydrothermal fluids near the seafloor is shown to preclude a straightforward determination of seawater properties by studying these cherts.Thirdly, the O and Si isotopic compositions of silicified lavas and cherts from the Onverwacht Group are used to improve our understanding of geodynamic processes that recycled similar rocks towards the source zone of TTGs occurring in the studied terrain. A correlation between the variations of δ18O values over time in TTGs and in the silica-rich rocks demonstrates that a younger seafloor was progressively added to the TTG source zones. The variation of δ18O values in the silica-rich rocks is considered as an effect of lithospheric cooling these seafloor rocks. A mass balance calculation constrains the possible O and Si isotope composition of the reworked silica-rich rocks and stratigraphic units matching the calculated isotopic values are identified in the Overwacht Group. This calculation suggests that seafloor-derived silica-rich rocks represented 5-12 vol.% of the TTG source zones. The possible burial depth estimated for these silicified lavas fits best with their recycling due to sporadic subduction events that operated already before 3.45 Ga ago.Overall, this thesis supports that seawater-crust interactions influenced the generation of the earliest felsic continents.

Les roches riches en silice du le plancher océanique Paléoarchéen conserveraient des informations cruciales sur la composition et la température des fluides hydrothermaux et de l'ocean sur la Terre primitive. En outre, des études isotopiques ont démontré le recyclage de ces roches vers la zone source des tonalite-trondhjemite-granodiorite (TTG) constituant le noyau des premiers continents. Réalisée sur la ceinture de Barberton (3,5-3,1 Ga, Afrique du Sud), cette étude se focalise sur les roches riches en silice afin de contraindre les compositions des fluides et les processus géodynamiques Paléoarchéens.Premièrement, des données pétrographiques, géochimiques et thermométriques permettent de d'étudier la composition élémentaire et la température des fluides hydrothermaux génératrices des laves silicifiés et cherts du groupe d'Onverwacht. Grace à ces données, des témoins du métamorphisme régional et des circulations de fluides météoritiques sont différenciés de ceux des fluides hydrothermaux. Toutes les roches étudiées ont subi un métamorphisme régional qui a rééquilibré leurs assemblages minéralogiques sans affecter significativement la composition élémentaire des roches totales. Des circulations tardives de fluides météoritiques oxydés, attestées par des anomalies en Ce, ont également modifié la composition de quelques échantillons. Dans cette étude, des critères compositionnels indifférentes des processus tardifs permettent de montrer que les fluides hydrothermaux silicifiants étaient exempts d'anomalie positive en Eu et caractérisés par une température relativement basse (>150 °C).Deuxièmement, les compositions isotopiques en O et Si des fluides hydrothermaux et de l'eau de mer Paléo-archéens sont discutées grâce à la composition isotopique des laves et sédiments silicifiés. La similitude des valeurs de δ30Si des laves et sédiments silicifiés avec celles des cherts précipités de l'eau de mer suggère que les fluides hydrothermaux et l'eau de mer du Paléo-archéen auraient eu des valeurs de δ30Si similaires. En outre, la composition isotopique des sédiments clastiques et des laves silicifiés est différente de celle des cherts précipités dans l'eau de mer et reflète des valeurs de δ18O des fluides hydrothermaux Paléoarcheannes plus faibles que celles des fluides modernes. Alors que le δ18O des fluides hydrothermaux indique une eau de mer paléoarchéenne à δ18O négatif, l'interaction des cherts avec ces fluides hydrothermaux près du fond marin aurait considérablement modifié leur composition isotopique en O, ce qui questionne les reconstructions d'eau de mer issues de ces compositions.Troisièmement, les compositions isotopiques en O et Si des laves silicifiées et des cherts du groupe d'Onverwacht sont utilisées pour améliorer notre compréhension des processus géodynamiques qui ont recyclé des roches similaires vers la zone source des TTGs présents à Barberton. La corrélation entre les variations des valeurs de δ18O dans les TTG et dans les roches riches en silice au fil du temps démontre qu'un plancher océanique de plus en plus jeune a été recyclé dans la zone sources des TTGs. La variation des valeurs δ18O dans les roches riches en silice est considérée comme un effet du refroidissement lithosphérique sur les processus hydrothermaux du plancher océanique. Un calcul de bilan de masse contraint la composition isotopique possible en O et Si des roches riches en silice remaniées et des unités stratigraphiques correspondant aux valeurs isotopiques calculées sont repérées dans le groupe d'Overwacht. Ce calcul suggère que les roches riches en silice dérivées du plancher océanique représentaient 5-12 vol.% des zones sources du TTG. La profondeur d'enfouissement estimée pour ces roches du plancher océanique suggère que leur recyclage serait dû à des événements de subduction sporadiques.Globalement, cette thèse soutient que les interactions entre l'eau de mer et la croûte ont influencé la formation des premiers continents felsiques.

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Citer

Lungele Steve Kitoga. Geochemical investigation of the fluid records and recycling of a Palaeoarchean silicified seafloor in the Barberton granitoid-greenstone terrain (3.5-3.2 Ga, South Africa). Geochemistry. Université Clermont Auvergne; Universiteit Stellenbosch (Afrique du Sud), 2024. English. ⟨NNT : 2024UCFA0069⟩. ⟨tel-05430793⟩
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