PhD

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	PhD project Th�se de doctorat Anne Peslier 1994-1999
Petrology and geochemistry of mantle xenoliths from the Canadian Cordillera P�trologie et g�ochimie de x�nolites du manteau provenant de la Cordill�re Canadienne


I did my PhD thesis in the Geology Department of the Universit� de Montr�al, Canada, under the supervision of John Ludden and Don Francis. An important part of the analytical work, however, was done at the Earth and Planetary Science Department of McGill University in Montreal, Canada, and at the Centre de Recherche P�trographique et G�ochimique (C.R.P.G.) of Nancy, France. The Rhenium-Osmium isotopic work, in particular, was done with Laurie Reisberg in Nancy. My PhD is a petrological and geochemical study of mantle xenoliths from the Canadian Cordillera. Additional information on the Canadian Cordillera mantle xenolith project can also be found on Don Francis site by clicking here.		J'ai fait ma th�se de doctorat au D�partement de G�ologie de l'Universit� de Montr�al, Canada, sous la direction de John Ludden et Don Francis. Une grande partie de ce travail s'est cependant d�roul� au D�partement des Sciences de la Terre et des Plan�tes de l'Universit� McGill � Montr�al, Canada, et au Centre de Recherche P�trographique et G�ochimique (C.R.P.G.) de Nancy, France. En particulier, l'�tude isotopique Rhenium-Osmium a �t� r�alis�e � Nancy avec Laurie Reisberg. Ma th�se concerne la p�trologie et la g�ochimie de x�nolites du manteau provenant de la Cordill�re Canadienne. Des renseignements suppl�mentaires sur le projet d'�tude des x�nolites du manteau de la Cordill�re Canadienne peuvent �galement �tre consult�s sur le site web de Don Francis en cliquant ici.

Mantle xenoliths were sampled from mid-Tertiary to recent alkali basalt volcanic centers throughout various orogenic belts and accreted tectonic terranes. These xenoliths are thus samples of the lithospheric mantle located between the cratonic root of a continent to the East, and the convective oceanic mantle to the West.		Les x�nolites du manteau de la Cordill�re Canadienne proviennent de centres volcaniques de composition alcaline datant de la fin du Tertiaire � la p�riode r�cente. Ainsi, ces x�nolites constituent des �chantillons d'un manteau lithosph�rique situ� entre la racine cratonique d'un continent � l'Est et du manteau oc�anique convectif � l'Ouest.


Map of the Canadian Cordillera Carte de la Cordill�re Canadienne
		Simplified map of the tectonic terranes and belts of the Canadian Cordillera showing the location of the mantle xenolith sites (triangles). The various orogenic belts (Insular, Coast, Intermontane, Omineca) and tectonic terranes (YTT-KO, CA, QN, CC, ST) were accreted to the American craton during the Jurassic and Cretaceous times. Carte simplifi�e des terrains tectoniques et des ceintures orog�niques de la Cordill�re Canadienne, montrant la localisation des sites de x�nolites du manteau (triangles) Les diverses ceintures orog�niques (Insular, Coast, Intermontane, Omineca) et terrains tectoniques se sont accr�t�s au craton Am�ricain au Jurassique et au Cr�tac� (YTT-KO, CA, QN, CC, ST). West Kettle River (KR), Lightning Peak (LP), Lassie Lake (LL), Rayfield River (RR), Big Timothy (BT), Kostal Lake (KL), Summit Lake (SL), Dome Mountain (DM), Castle Rock (CR), Llangorse (LG), Alligator Lake (AL), Fort Selkirk (FS), Clinton (CL), Prindle (PR)


Petrology of the southern Canadian Cordillera xenoliths		P�trologie des x�nolites du sud de la Cordill�re Canadienne
The dominant type of peridotite among the southern Canadian Cordillera xenoliths is spinel lherzolite, with chemical compositions consistent with residues from up to 15 % extraction of a picritic melt from a pyrolite type source. Rare harzburgites and dunites, on the other hand, require up to 25 and 30% melting respectively. Some of the depleted-lherzolites, harzburgites and dunites, however, are too Fe-rich to be the simple residues of melting and likely result from the interaction of the peridotite with an alkali melt at depth. Augite-wehrlites and pyroxenites are abundant at two sites close to the American craton and appear to represent veins which cross-cut the lherzolitic lithospheric mantle. Metasomatism is expressed by the crystallisation of amphibole and phlogopite at two sites, but is cryptic elsewhere, with variable enrichment in LREE and depletion in Hf, Zr and Ti. The fluids or melts responsible for this metasomatism may have originated from the subduction zone to the West. A comparison with other peridotites indicates that the Canadian Cordillera xenoliths resemble other continental spinel xenoliths, and some Hawaiian mantle xenoliths. They are, however, different from peridotites found in arc tectonic settings and generally less depleted than abyssal peridotites.		Le type dominant de p�ridotite que l'on trouve dans le sud de la Cordill�re Canadienne est celui des lherzolites � spinelle. Les compositions en �l�ments majeurs de ces derni�res peuvent �tre expliqu�es par l'extraction de liquides picritiques, � l'aide de 15% au maximum de fusion partielle d'une source de type pyrolite. Des harzburgites et des dunites sont aussi pr�sentes, bien que beaucoup plus rares que les lherzolites. Elles sont issues du m�me processus mais avec des degr�s de fusion plus importants, environ 25 et jusqu'� 30% respectivement. Cependant, certaines d'entre-elles ainsi que certaines des lherzolites appauvries en �l�ments majeurs poss�dent une composition en Fe trop �lev�e pour pouvoir �tre les produits d'une simple fusion. Ainsi, il est probable qu'elles r�sultent de l'interaction entre la p�ridotite et un liquide de fusion alcaline, qui a provoqu� la dissolution des orthopyrox�nes et la cristallisation d'olivine nouvelle. Des wehrlites � augite et des pyrox�nites sont abondamment pr�sentes dans les deux sites de x�nolites situ�s le plus pr�s du craton canadien. Ils repr�sentent vraisemblablement des liquides de fusion ayant cristallis� en veine dans le manteau lherzolitique de la Cordill�re Canadienne. Le m�tasomatisme a r�sult� en la cristallisation de phases hydrat�es telles que l'amphibole et la phlogopite � LP et KL respectivement. Dans tous les autres sites de x�nolites, il est responsable d'enrichissements variables en terres rares l�g�res (LREE) et est caract�ris� dans presque toutes les suites par des anomalies n�gatives en Zr, Hf et Ti par rapport aux terres rares lourdes (HREE). Il est possible que les fluides ou les liquides de fusion qui en sont responsables soient li�s � la zone de subduction � l'Ouest. Une comparaison avec des p�ridotites d'autres r�gions du monde a permis de mettre en �vidence que les x�nolites mantelliques de la Cordill�re Canadienne sont semblables aux autres p�ridotites � spinelle continentales, mais aussi � des x�nolites remont�es par des basaltes d'�le oc�anique (OIB) d'Hawaii. Cependant, les p�ridotites trouv�es dans des contextes tectoniques d'arc sont plus appauvries et ont des Mg# de spinelle plus �lev�s. Enfin, les p�ridotites abyssales ont des compositions globalement plus appauvries que les lherzolites de la Cordill�re Canadienne.


Re-Os isotopes on xenoliths from the entire Canadian Cordillera (southern and northern parts)		Isotopes du Re-Os sur des x�nolites provenant de toute la Cordill�re Canadienne (parties nord et sud)

Lherzolites present a positive correlation of their Os isotopic ratios vs indices of fusion such as aluminum (shown here in wt %) or HREE. All the harzburgites but one plot off this correlation.

Les rapports isotopiques de l'Os des lherzolites sont corr�l� avec des indices de fusion comme par exemple, leur contenu en aluminium (montr� ici en poids %)ou encore leur contenu en HREE. A part une, aucune harzburgite ne tombe sur cette corr�lation.

LHERZOLITES

The positive correlation of the 187 Os/ 188 Os of the lherzolites with indices of fusion likely reflects fusion, followed by a long period of radiogenic ingrowth.

LHERZOLITES

La corr�lation entre les rapports 187 Os/ 188 Os de lherzolites provenant de toute la Cordill�re Canadienne avec les indices de fusion refl�te de la fusion, suivie par une longue p�riode de croissance radiog�nique.

	Lu and Re seem to have very similar behavior during magmatic processes (Meisel et al., 1996; Hauri and Hart, 1997). Lu is used here as an amalogue to the 187 Re/ 188 Os ratio. Indeed, the latter cannot be used like in a classical isochron method because Re was generally disturbed by post-fusion metasomatism. The y-intercept of the 187 Os/ 188 Os ratio vs. Lu correlation, projected onto a mantle evolution curve, can be used to determine a model age, i.e. a melting age, of the lithospheric mantle underlying the Canadian Cordillera. Le Lu, dont le comportement dans les processus magmatiques appara�t �tre tr�s semblable � celui du Re (Meisel et al., 1996; Hauri and Hart, 1997), est pris comme analogue du rapport 187 Re/ 188 Os. Ce dernier, en effet, ne peut pas �tre utilis� comme dans une m�thode classique d'isochrone, car il est g�n�ralement perturb� par du m�tasomatisme post�rieur � la fusion. Ainsi, l'intersection de la droite de corr�lation 187 Os/ 188 Os en fonction du Lu avec l'axe des ordonn�es permet de calculer le rapport isotopique initial des lherzolites. Celui-ci est projet� sur une courbe d'�volution des rapports isotopiques du manteau primitif au cours du temps afin de calculer un �ge mod�le, c'est � dire quand la fusion a eu lieu.

The correlation between 187 Os/ 188 Os and Lu has been used to infer a model age of 1.12 � 0.26 Ga for the mantle lithosphere beneath the Canadian Cordillera. The same age is found in mantle xenoliths from within individual belts and tectonic terranes of the Canadian Cordillera. A Re-depletion age in one harzburgite that apparently escapes Os metasomatism, and Hf model ages for two unmetasomatized lherzolites also give similar ages.		La corr�lation entre les rapports 187 Os/ 188 Os et le Lu a �t� utilis�e pour d�terminer des �ges mod�les du manteau (Reisberg and Lorand, 1995). Cette m�thode, appliqu�e � toutes les lherzolites de la Cordill�re Canadienne, permet de calculer un �ge mod�le de 1.12 � 0.26 Ga pour la lithosph�re mantellique situ�e sous cette r�gion. L'application du m�me calcul sur un nombre plus restraint de lherzolites, group�es par ceinture orog�nique ou par terrain tectonique, donne aussi le m�me �ge. De plus, un calcul de l'�ge minimum d'appauvrissement en Re appliqu� � la seule harzburgite qui n'a pas vu ses rapports d' 187 Os/ 188 Os perturb�s par du m�tasomatisme, conclu � 1 Ga. Enfin, des �ges mod�les Hf sur deux lherzolites non m�tasomatis�es tombent dans le m�me ordre de grandeur.

	The entire mantle lithosphere beneath the Canadian Cordillera underwent melting 1.1 Ga ago. This age may correspond to its stabilization in the subcontinental lithosphere. This age is younger than the 1.9 to 2.3 Ga of the North American cratonic basement, but much older than the depleted-mantle Nd-model ages of the upper-crust tectonic terranes (about 0.5 Ga). Although no crustal rocks of 1.1 Ga exist in the Canadian Cordillera, detrital zircons of this age are widespread in the entire region and may testify to the former existence of a crust of this age (Ross, 1991). This interpretation is also in agreement with recent seismic profiles in the southern Canadian Cordillera (Clowes et al., 1998) showing a lower-crust extending from the craton under most of the orogenic belts, which may represent the crust associated with the 1.1 Ga old lithospheric mantle. Le manteau lithosph�rique de la Cordill�re Canadienne s'est form� par fusion il y a 1.1 Ga. Cet age pourrait correspondre � son incorporation dans la lithosph�re sous-continentale. Cet �ge est inf�rieur � celui de la base du craton Nord-Am�ricain adjascent (1.9 � 2.3 Ga), mais est bien sup�rieur aux �ges mod�les Nd des terrains tectoniques de la cro�te sup�rieure (environ 0.5 Ga). Bien qu'il n'existe aucune roche �g�e de 1 Ga dans toute la Cordill�re Canadienne, des zircons d�tritiques dat�s � 1 Ga y sont tr�s couramment trouv�s, et pourraient �tre les t�moins de l'existence ancienne d'une cro�te de cet �ge (Ross, 1991). Cette interpr�tation est en accord avec les r�sultats des profils sismiques r�cents r�alis�s dans le Sud de la Colombie Britannique, et qui semblent montrer la pr�sence d'une cro�te inf�rieure situ�e sous la plupart des terrains tectoniques et en prolongation avec celle du craton (Clowes et al., 1998). Celle-ci pourrait repr�senter la cro�te associ�e au manteau lithosph�rique de 1 Ga.

HARZBURGITES

Harzburgites from both the southern and northern Canadian Cordillera have 187 Os/188 Os ratios correlating with 1/Os and plotting above the regional 187 Os/ 188 Os vs Lu correlation of the lherzolites. The Os system thus appears to have been disturbed by high 187 Os/ 188 Os metasomatic agents that scavenged Os from the peridotite.

HARZBURGITES

Les rapports 187 Os/ 188 Os mesur�s dans des harzburgites provenant du Sud comme du Nord de la Cordill�re Canadienne, sont corr�l�s avec 1/Os et se placent au dessus de la corr�lation r�gionale en fonction des indices de fusion des lherzolites. Ainsi, le syst�me Os semble avoir �t� perturb� par des agents m�tasomatiques aux rapports d'187 Os/ 188 Os �lev�s, et qui ont extrait pr�f�renciellement l'Os de la p�ridotite.

TWO POSSIBLE ORIGINS FOR THE FLUIDS (1)Thermal anomaly The presence of abundant harzburgites enriched in incompatible trace elements in some northern xenolith sites has been interpreted to result from metasomatism-induced melting linked to the presence of an anomalous high-temperature zone in the mantle at more than 100 km depth beneath these sites (Francis, 1987; Frederiksen et al., 1998; Shi et al., 1998). This process could be responsible for the high Os isotopic ratio of the harzburgites. Although it apparently occurred throughout the entire Canadian Cordillera, it may have been particularly intense in the northern sites due to the presence of a thermal anomaly in the mantle. (2) Subduction related fluids Our preferred explanation is, however, that the Os radiogenic metasomatic agents are related to subduction processes along the western margin of the Canadian Cordillera,as well as in the northern US Cordillera (Brandon et al., 1996), and that this large scale process is different from the one affecting the incompatible trace elements.		DEUX PROVENANCES POSSIBLES POUR LES FLUIDES (1) L'anomalie thermique L'abondante pr�sence de harzburgites dans certains sites du Nord de la Cordill�re, ainsi que l'enrichissement en �l�ments traces incompatibles de leurs clinopyrox�nes, ont �t� interpr�t�s comme le r�sultat d'une fusion induite par du m�tasomatisme (Francis, 1987; Shi et al., 1998). Ce dernier serait � relier � une zone de temp�rature anormalement �lev�e, situ�e � plus de 100 km de profondeur sous ces sites (Frederiksen et al., 1998; Shi et al., 1998). Ce processus pourrait �tre responsable des rapports d'Os �lev�s des harzburgites. Bien que le ph�nom�ne soit pr�sent dans toute la Cordill�re Canadienne, il aurait �t� particuli�rement intense dans la r�gion Nord, � l'aplomb de l'anomalie thermique du manteau. (2) Fluides de subduction Notre interpr�tation pr�f�r�e est cependant que les agents m�tasomatiques radiog�niques du point de vue de l'Os sont � relier aux processus de subduction affectant la marge ouest de la Cordill�re Canadienne, ainsi que le nord de la cordill�re am�ricaine (Brandon et al., 1996). Ce ph�nom�ne de grande �chelle serait ind�pendant de ceux affectant les �l�ments traces incompatibles.


Metasomatism and Lu-Hf isotopic data		M�tasomatisme et donn�es isotopiques Lu-Hf

In the harzburgite-rich sites, this asthenosphere -lithosphere interaction appears to have reset the Pb-Pb, Rb-Sr (Carignan et al., 1996), Lu-Hf and Sm-Nd isotopic characteristics of the lherzolites as well. Indeed Hf isotopic ratios in two lherzolites of those sites are the lowest ever measured among Hf the scarce Hf analyses existing for peridotites. The fluids or melts in these northern sites interacted with the peridotite less than 170 Ma ago and may have had EMII isotopic characteristics.

Dans les sites de x�nolites riches en harzburgites, cette interaction asth�nosph�re-lithosph�re appara�t m�me avoir perturb� les caract�ristiques isotopiques en Pb-Pb, Rb-Sr (Carignan et al., 1996), Lu-Hf et Sm-Nd des lherzolites. En effet, les rapports 176 Hf/ 177 Hf mesur�s dans deux lherzolites d'un de ces sites, sont parmi les plus bas parmi les rares analyses existantes de p�ridotite pour cet isotope. Les fluides ou liquides de fusion ont interagi � cet endroit avec la p�ridotite il y a moins de 170 Ma et avaient sans doute des caract�ristiques isotopiques de type EMII.

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