Fluid migration, rock deformation, and mineral alteration in the Earth's crust. Insights from giant quartz veins and their host rocks in the Pyrenees

Abstract

[eng] The interplay between fluid migration, rock deformation, and mineral alteration processes is key to determining dynamic variations in the Earth’s crust strength, understanding changes in the physicochemical properties of rocks, and constraining the conditions responsible for the formation of ore deposits. Investigating these processes may also provide insights into the sedimentary, magmatic, and metamorphic evolution of different geological systems, helping to reconstruct regional tectono-thermal histories and tectonic plate evolution. However, bridging the gap between these phenomena is challenging due to the very different length scales (i.e., from the scale of atomic chemical changes, ca. 10^-9 m, to that of orogenic deformation, ca. 10^5 m) and timescales (i.e., from crystal dislocation glide, at ca. 10^-9 s, to ductile flow of rocks in shear zones, at ca. 10^14 s) at which their underlying processes operate. This PhD thesis aims to explore the interplay between fluid migration, rock deformation, and mineral alteration during the formation of Giant Quartz Veins (GQVs) in the Pyrenean fold-and-thrust belt, at the Iberia-Eurasia plate boundary. The fluid evolution history, GQV formation mechanisms and conditions, their geometry and distribution, as well as their relationships with host rock alteration processes, GQV ages and deformation are holistically investigated from the orogen- to the grain- scale in four representative sectors: the Canigó, Cap de Creus, Roc de Frausa, and La Cerdanya areas. This is achieved by a multidisciplinary approach that includes remote sensing analysis, fieldwork and geological mapping, structural and microstructural studies, whole-rock and mineral chemistry, mass-balance modelling, fluid inclusion microthermometry and element concentration determinations, geochronology, and crystal orientation analysis in GQVs and their host rocks, present both in basement and cover orogenic settings. Alterations of granitic rocks associated with GQVs have also inspired a literature review about our current understanding of granitic rocks, and on how granites have been defined and interpreted in the context of the major theories that have successively governed the Earth Science history. The interpretations presented in this thesis provide new insights into metasomatic and rock deformation processes, and how these are related to the formation of GQVs and the development of mylonite belts. It is suggested that GQVs are mostly formed by mineral replacement processes and that, accordingly, they form by deformation-controlled metasomatic reactions in coupled, coeval and long-lasting processes of pulses of fluid supply and shear zone activity. The results of this PhD thesis allow for a better understanding of the deformation of crustal rocks, the formation mechanisms of GQVs, and the tectono-thermal history of the Pyrenees. The thesis further challenges practices commonly used for paleotemperature and fluid provenance determinations, classical interpretations of the formation mechanisms, origin, and significance of GQVs worldwide, and assumptions that Pyrenean mylonite belts and GQVs developed during the retrograde stages of the Variscan orogeny.

[cat] La interacció entre fluids, deformació i canvis minerals és clau per determinar les variacions de la reologia de l'escorça, entendre la fisicoquímica de les roques i establir les condicions necessàries per a la gènesi de dipòsits minerals. Investigar aquests processos també ajuda a reconstruir la història tectono-termal i l’evolució tectònica d’una determinada regió. Tanmateix, relacionar aquests tres fenòmens és un repte per causa de les diferents escales a les que actuen els seus processos infrajacents, tant espacials (per exemple, des de canvis químics atòmics, ca. 10^-9 m, fins a la deformació orogènica, ca. 10^5 m) com temporals (per exemple, des del moviment de dislocacions cristallines, ca. 10^-9 s, fins al flux dúctil de roques en zones de cisalla, ca. 10^14 s). Aquesta tesi explora la interacció entre la migració de fluids, la deformació de roques i l’alteració mineral durant la formació de Filons de Quars Gegants (FQGs) a l’orogen Pirinenc (límit de placa Ibèria-Euràsia). L’evolució temporal dels fluids, la geometria i distribució, les relacions amb l’alteració de les roques encaixants, les edats i la deformació, i els mecanismes i condicions de formació dels FQGs s’investiguen des de l’escala orogènica fins la cristal·lina a quatre sectors representatius: Canigó, Cap de Creus, Roc de Frausa i La Cerdanya. Els resultats s’integren amb una visió global que inclou anàlisis de teledetecció, treball de camp i cartografia, estudis estructurals i microestructurals, química de roca i de minerals, balanç de masses, microtermometria i determinacions de concentració de metalls en inclusions fluides, geocronologia i anàlisi d’orientació cristal·lina tant de FQGs com de roques encaixants en entorns de sòcol i cobertora. L’estudi d’alteracions en roques granítiques associades als FQGs també ha motivat una revisió sobre el coneixement actual dels granits, i sobre com aquests han estat definits i interpretats en el context de les principals teories que han governat la història de les Ciències de la Terra. Els resultats i interpretacions aporten noves perspectives sobre processos metasomàtics i de deformació, i sobre com aquests es relacionen amb la formació de FQGs i el desenvolupament de milonites. Es suggereix que els FQGs es formen principalment per processos de reemplaçament mineral i milonitització. Per tant, representen dipòsits metasomàtics formats durant la deformació, en un procés conjunt i de llarga durada, que es dona amb polsos successius o continus d’aportació de fluids i activitat a les zones de cisalla. Els resultats d’aquesta tesi ajuden a comprendre millor la deformació de les roques de l’escorça, els mecanismes de formació de FQGs i la història tectono- termal dels Pirineus Orientals. A més, posen en qüestió algunes pràctiques habituals per a la determinació de paleotemperatures i procedència de fluids, interpretacions clàssiques sobre els mecanismes de formació i l’origen dels FQGs d’arreu, i assumpcions que suggereixen etapes retrogrades de l’orogènia Herciniana pel desenvolupament dels cinturons de milonites i els FQGs dels Pirineus.

[spa] La interacción entre la migración de fluidos, la deformación de las rocas y los procesos de alteración mineral es clave para comprender las variaciones dinámicas en la reología de la corteza, los cambios fisicoquímicos de las rocas y las condiciones necesarias para la formación de depósitos minerales. Investigar estos procesos también aporta información sobre la evolución sedimentaria, magmática y metamórfica de distintos sistemas geológicos, contribuyendo a reconstruir la historia tectono-termal y la evolución tectónica. Sin embargo, relacionar estos tres fenómenos es complejo debido a las distintas escalas de longitud (desde cambios químicos atómicos, ca. 10^-9 m, hasta deformación orogénica, ca. 10^5 m) y tiempo (desde el movimiento de dislocaciones cristalinas, ca. 10^-9 s, hasta el flujo dúctil de rocas en zonas de cizalla, ca. 10^14 s) en las que operan sus procesos subyacentes. Esta tesis doctoral explora la interacción entre la migración de fluidos, la deformación de las rocas y la alteración mineral durante la formación de Venas de Cuarzo Gigantes (VQGs) en el orógeno Pirenaico (límite de placa Iberia-Eurasia). Se investigan la evolución de los fluidos, los mecanismos y condiciones de formación, la geometría y distribución, las relaciones con la alteración de las rocas encajantes, las edades y la deformación de VQGs a escala orogénica y cristalina en cuatro sectores: Canigó, Cap de Creus, Roc de Frausa y La Cerdanya. Los resultados se integran en un enfoque multidisciplinar que incluye análisis de teledetección, trabajo de campo y cartografía, estudios estructurales y microestructurales, química de roca total y de minerales, balance de masas, microtermometría y análisis de concentraciones de elementos en inclusiones fluidas, geocronología y análisis de orientaciones cristalinas en VQGs y rocas encajantes de entornos orogénicos de basamento y cobertera. Las alteraciones de las rocas graníticas asociadas a VQGs también han inspirado una revisión sobre el conocimiento actual de granitos y su definición e interpretación en el contexto de las principales teorías a lo largo de la historia de las Ciencias de la Tierra. Las interpretaciones presentadas ofrecen nuevas perspectivas sobre procesos metasomáticos y de deformación, así como sobre su relación con la formación de los VQGs y el desarrollo de milonitas. Se sugiere que las VQGs se forman principalmente por procesos de reemplazamiento mineral y, por tanto, representan depósitos metasomáticos generados durante la deformación en un proceso conjunto y prolongado, con pulsos sucesivos o continuos de aporte de fluidos y actividad en las zonas de cizalla. Los resultados de esta tesis permiten entender mejor la deformación de las rocas de la corteza, los mecanismos de formación de VQGs y la historia tectonotermal de los Pirineos. Además, también se cuestionan prácticas habituales en la estimación de paleotemperaturas y procedencia de fluidos, interpretaciones clásicas sobre mecanismos de formación y origen de VQGs en otros sectores, así como interpretaciones que indican que las milonitas y VQGs de los Pirineos se formaron durante las etapas retrógradas de la orogenia Varisca.