The Aegean region contains numerous metamorphic core complexes that reflect post-collision extensional tectonics. The largest of these is the Menderes Massif of western Turkey, which covers an area of ~40,000 km². The Selimiye Shear Zone bounds its southern border and is a key location for studying the metamorphic history of the massif. Models of the tectonic evolution of the region requires an understanding of the peak pressure-temperature (P-T) conditions recorded by rocks in the massif, and the time (t) at which they achieved those conditions. However, limited P-T-t data exists in the Southern Menderes Massif. Here, P-T-t data was obtained from garnet-bearing rocks collected perpendicular to strike along seven transects spaced about 35 km across the Selimiye Shear Zone. Garnets in nine samples from four transects were analyzed using high-resolution back-scattered electron (BSE) imagery, X-ray element (Fe, Mg, Mn, Ca and Y) maps, and quantitative compositional analyses. Both zircon and monazite grains were dated in rock thin section using Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-ICP-MS) and Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) to ascertain the timing of events recorded by the rocks. Some garnet X-ray element maps show zoning consistent with multiple stages of growth, diffusion, and retrogression. Distinct zones in each sample are visible on high contrast BSE images and can be related to Y, Fe, and Mn contents. The conventional garnet + biotite geothermometer and garnet + plagioclase + muscovite + biotite geobarometer were used to estimate peak metamorphic P-T conditions. These range from 556±10°C to 671±27°C, and 15.3±0.2 kbar to 22.4±0.5 kbar. The temperatures are similar to previous estimates, but the pressures appear about ~10 kbar higher the previous estimates. U-Pb zircon ages range from 2022±30 Ma (13.4% disc.) to 254±5 Ma (13.4% disc.). Based on Th/U contents, the oldest ages are likely related to inherited grains from magmatic sources. The youngest zircon age is the first reported Triassic grain from the Southern Menderes Massif and may relate to the closure event of the Paleo-Tethyan Ocean. A younger history is recorded by U-Pb and Th-Pb monazite ages, which range Cretaceous to Miocene. Monazite geochronology is hindered by the contamination of high amounts of common Pb, but U-Pb and Th-Pb age calculations show Miocene to Jurassic ages. The textures of monazite (i.e. drusy, filling cracks of garnet and in reaction with allanite) imply that ages could record crystallization and/or fluid dissolution/reprecipitation mediated events in the Oligocene. Data reported here support the observation that polymetamorphic events are recorded in the Southern Menderes Massif rocks in close proximity to the Selimiye Shear Zone. Two options are possible environments of continental exhumation of rocks along the zone: (1) a polymetamorphic history that records relict high-pressures from previous metamorphic events or (2) a single-stage exhumation of high-pressure rocks. / text

The Aegean region contains numerous metamorphic core complexes that reflect post-collision extensional tectonics. The largest of these is the Menderes Massif of western Turkey, which covers an area of ~40,000 km². The Selimiye Shear Zone bounds its southern border and is a key location for studying the metamorphic history of the massif. Models of the tectonic evolution of the region requires an understanding of the peak pressure-temperature (P-T) conditions recorded by rocks in the massif, and the time (t) at which they achieved those conditions. However, limited P-T-t data exists in the Southern Menderes Massif. Here, P-T-t data was obtained from garnet-bearing rocks collected perpendicular to strike along seven transects spaced about 35 km across the Selimiye Shear Zone. Garnets in nine samples from four transects were analyzed using high-resolution back-scattered electron (BSE) imagery, X-ray element (Fe, Mg, Mn, Ca and Y) maps, and quantitative compositional analyses. Both zircon and monazite grains were dated in rock thin section using Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-ICP-MS) and Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) to ascertain the timing of events recorded by the rocks. Some garnet X-ray element maps show zoning consistent with multiple stages of growth, diffusion, and retrogression. Distinct zones in each sample are visible on high contrast BSE images and can be related to Y, Fe, and Mn contents. The conventional garnet + biotite geothermometer and garnet + plagioclase + muscovite + biotite geobarometer were used to estimate peak metamorphic P-T conditions. These range from 556±10°C to 671±27°C, and 15.3±0.2 kbar to 22.4±0.5 kbar. The temperatures are similar to previous estimates, but the pressures appear about ~10 kbar higher the previous estimates. U-Pb zircon ages range from 2022±30 Ma (13.4% disc.) to 254±5 Ma (13.4% disc.). Based on Th/U contents, the oldest ages are likely related to inherited grains from magmatic sources. The youngest zircon age is the first reported Triassic grain from the Southern Menderes Massif and may relate to the closure event of the Paleo-Tethyan Ocean. A younger history is recorded by U-Pb and Th-Pb monazite ages, which range Cretaceous to Miocene. Monazite geochronology is hindered by the contamination of high amounts of common Pb, but U-Pb and Th-Pb age calculations show Miocene to Jurassic ages. The textures of monazite (i.e. drusy, filling cracks of garnet and in reaction with allanite) imply that ages could record crystallization and/or fluid dissolution/reprecipitation mediated events in the Oligocene. Data reported here support the observation that polymetamorphic events are recorded in the Southern Menderes Massif rocks in close proximity to the Selimiye Shear Zone. Two options are possible environments of continental exhumation of rocks along the zone: (1) a polymetamorphic history that records relict high-pressures from previous metamorphic events or (2) a single-stage exhumation of high-pressure rocks. / text

The Aegean region contains numerous metamorphic core complexes that reflect post-collision extensional tectonics. The largest of these is the Menderes Massif of western Turkey, which covers an area of ~40,000 km². The Selimiye Shear Zone bounds its southern border and is a key location for studying the metamorphic history of the massif. Models of the tectonic evolution of the region requires an understanding of the peak pressure-temperature (P-T) conditions recorded by rocks in the massif, and the time (t) at which they achieved those conditions. However, limited P-T-t data exists in the Southern Menderes Massif. Here, P-T-t data was obtained from garnet-bearing rocks collected perpendicular to strike along seven transects spaced about 35 km across the Selimiye Shear Zone. Garnets in nine samples from four transects were analyzed using high-resolution back-scattered electron (BSE) imagery, X-ray element (Fe, Mg, Mn, Ca and Y) maps, and quantitative compositional analyses. Both zircon and monazite grains were dated in rock thin section using Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-ICP-MS) and Secondary Ion Mass Spectrometry (SIMS) to ascertain the timing of events recorded by the rocks. Some garnet X-ray element maps show zoning consistent with multiple stages of growth, diffusion, and retrogression. Distinct zones in each sample are visible on high contrast BSE images and can be related to Y, Fe, and Mn contents. The conventional garnet + biotite geothermometer and garnet + plagioclase + muscovite + biotite geobarometer were used to estimate peak metamorphic P-T conditions. These range from 556±10°C to 671±27°C, and 15.3±0.2 kbar to 22.4±0.5 kbar. The temperatures are similar to previous estimates, but the pressures appear about ~10 kbar higher the previous estimates. U-Pb zircon ages range from 2022±30 Ma (13.4% disc.) to 254±5 Ma (13.4% disc.). Based on Th/U contents, the oldest ages are likely related to inherited grains from magmatic sources. The youngest zircon age is the first reported Triassic grain from the Southern Menderes Massif and may relate to the closure event of the Paleo-Tethyan Ocean. A younger history is recorded by U-Pb and Th-Pb monazite ages, which range Cretaceous to Miocene. Monazite geochronology is hindered by the contamination of high amounts of common Pb, but U-Pb and Th-Pb age calculations show Miocene to Jurassic ages. The textures of monazite (i.e. drusy, filling cracks of garnet and in reaction with allanite) imply that ages could record crystallization and/or fluid dissolution/reprecipitation mediated events in the Oligocene. Data reported here support the observation that polymetamorphic events are recorded in the Southern Menderes Massif rocks in close proximity to the Selimiye Shear Zone. Two options are possible environments of continental exhumation of rocks along the zone: (1) a polymetamorphic history that records relict high-pressures from previous metamorphic events or (2) a single-stage exhumation of high-pressure rocks. / text

Les dômes métamorphiques extensifs formés en contexte post-orogénique sont parfois associés à des bassins sédimentaires développés durant leur exhumation le long de zones de cisaillement d'ampleur crustale. A partir de l'exemple des Cordillères Bétiques (Sud de l'Espagne), qui figurent parmi les terrains idéaux pour l'étude de l'exhumation des roches métamorphiques, cette thèse vise à établir un modèle géodynamique accompagné d'un calendrier cinématique intégrant à la fois les phénomènes superficiels (les bassins) et profonds (les roches métamorphiques). Elle repose sur l'analyse de deux enregistrements de la déformation crustale: celui des bassins sédimentaires, dont est tirée la subsidence tectonique (subsidence en fonction du temps, S-t), et celui des roches métamorphiques (chemins pression – température – temps, P-T-t); leurs histoires étant intimement liées au fonctionnement des zones de cisaillement extensives (Ε). Le but est ici, d'une part, de répondre à une problématique régionale, en comparant les enregistrements de ces deux marqueurs témoignant d'une cause unique, l'extension post-orogénique et la formation de la mer d'Alboran, et d'autre part, de proposer un modèle méthodologique. La première partie de cette thèse vise à lire et contraindre la déformation du substratum au travers de l'enregistrement sédimentaire de deux bassins situés au toit d'un accident majeur à partir de l'histoire de leur subsidence (articles 1 et 2). Ces bassins sont nés d'une extension méridienne synchrone de l'exhumation finale des dômes métamorphiques, au moins en partie réalisée par un étirement crustal E-W. La subsidence démarre au Serravallien et se poursuit jusqu'au Tortonien supérieur avant une phase d'inversion tectonique, il y a environ 8 Ma. La seconde partie, principalement structurale (article 3), tente d'expliquer le paradoxe apparent de ces deux directions d'extension perpendiculaires, en étudiant l'évolution de la déformation du mur des zones de cisaillement. Une succession continue de cinq stades de déformation est reconnue, intégrée dans un modèle structural de l'exhumation des roches métamorphiques. Les dômes de la Sierra de los Filabres et de la Sierra Alhamilla se sont formés dans le contexte d'un étirement E-W sous un détachement majeur avec un cisaillement vers l'Ouest. Leur structuration est visible dans les derniers stades de la déformation dès que la zone de cisaillement entre dans le faciès des Schistes Verts. La formation de ces dômes d'axe E-W contrôle l'extension, localement N-S et la formation des bassins dans la croûte supérieure. La troisième partie apporte de nouvelles contraintes à la fois en « Pression-Température » et en « temps » qui permettent de préciser le calendrier du modèle précédent (articles 4 et 5). Ainsi, les trois unités métamorphiques constitutives des dômes métamorphiques étudiés font-elles l'objet de l'utilisation conjointe de différentes méthodes de quantification P-T, apportant des résultats totalement nouveaux. Le volet radiochronologique de l'étude apporte les contraintes temporelles nécessaires à l'intégration des résultats à toutes les échelles. Il s'agit de datations 39Ar/40Ar in-situ par ablation laser des phengites en fonction de leur position structurale et de leur composition. Il est donc possible de dater les différents points du chemin P-T-t. Le maximum de pression (20 kbar pour l'unité de Bédar-Macael et 14 kbar pour l'unité de Calar Alto) est atteint avant 30 Ma, vraisemblablement vers 40 ou 50 Ma. L'exhumation post-orogénique rapide commence alors vers 30 Ma. Elle est réalisée le long d'un chemin isotherme jusque vers 19 Ma, puis le long d'un gradient HT-BP jusqu'à 8 Ma environ, la transition cassant-ductile étant traversée vers 14 Ma. Enfin, dans une dernière partie, ces résultats sont synthétisés et intégrés à des échelles de temps et d'espace croissantes depuis celle des bassins sédimentaires jusqu'à celle de l'évolution de la Méditerranée Occidentale (évolution 3-D de portions de lithosphère) en passant par l'échelle des dômes métamorphiques. L'intégration à l'échelle de la chaîne (prenant en compte le complexe Alpujarride) et de la Méditerranée Occidentale, est discutée dans l'article 6.

Conventional thermobarometry in metamorphic systems has been primarily limited to constraining peak temperature (or pressure) along a generalized P-T loop. This is largely attributed to the assumption that mineral assemblages and chemistries achieve a state closest to equilibrium with the maximum thermal (and therefore energetic) input at these peak conditions. However, this traditional approach is limited in providing much information about the evolution of a metamorphic terrane, which is modified by tectonic (kinematic) forces, fluid and component mobility, and heating duration. The ubiquity of quartz in the continental crust has driven much interest in using the phase for thermobarometric purposes. In this dissertation, I discss the application of elastic theory in reconstructing conditions of inclusion encapsulation through inclusion pressure estimation with Raman spectroscopy. In some instances, overpressuring of quartz inclusions in garnet give evidence for high-pressure formation conditions. When analyses are collected from garnet core to rim, pressure paths along garnet growth can be inferred (if temperature can be reasonably estimated). In high-T, low-P terranes, quartz may become dilated if the inclusion adheres to the host. If a quartz inclusion is sufficiently stretched, transformation to a low-density polymorph may occur. Trace element uptake, particularly Ti, have been characterized in quartz and understood to be the result of a temperature- (and to a lesser extent, pressure-) sensitive substitution for Si4+. However, the application of the Ti-in-quartz thermobarometer in quartz mylonites has led to mixed results due to the low-Ti resetting that occurs with dynamic recrystallization. We applied defect energy simulations and took a global assessment of deformed quartz trace element chemistries to infer that sweeping grain boundaries provide short pathways that allows localized re-equilibration with a Ti-undersaturated medium, resulting in Ti removal from the quartz lattice. In addition, thermodynamic pseudosection modeling has provided a method to assess Ti activity as a dynamic parameter – one that evolves as the phase stability changes through prograde and retrograde metamorphic reactions. With this understanding, better growth-composition models can be derived to infer complex pressure-temperature-time-deformation (P-T-t-D) histories of metamorphic rocks. These techniques and results are coupled with conventional thermobarometry techniques to provide a more comprehensive picture of the conditions experienced by a rock through the evolution, from burial to exhumation to the Earth's surface. The thermal evolution is used to provide conceptual thermal-kinematic models to explain tectonic evolution and heat advection in the continental lithosphere in ancient mountain belts. / Ph. D.

La compréhension des processus orogéniques nécessite l'acquisition de données permettant de suivre les variations de pression (P), température (T) et déformation (D) au cours du temps (t). La construction de trajets P-T-D-t implique nécessairement une approche pluridisciplinaire, qui combine une analyse pétrologique et structurale à l'acquisition de données géochronologiques. Dans ce mémoire, une telle approche est appliquée à des granulites polymétamorphiques de Ultra-Hautes Températures de l'unité basique d'Andriamena (Centre-Nord Madagascar). Une attention particulière a été portée sur la corrélation entre les données pétrologiques et géochronologiques afin de discuter la signification des trajets P-T et des âges obtenus en contexte polymétamorphique. L'évolution thermomécanique de l'unité d'Andriamena est marquée par la superposition d'au moins quatre événements thermiques distincts: ~2.7 Ga, 2.52-2.54 Ga, 790-730 Ma et 530-500 Ma. Si la signification de l'événement Archéen à 2.7 Ga reste encore problématique, l'événement fini-Archéen à 2.5 Ga correspond sans ambiguïté au métamorphisme de UHT (~1050°C, 11.5 kbar). Le Néoprotérozoïque moyen (790-730 Ma) est marqué par la mise en place d'un important complexe basique-ultrabasique contemporain d'un épisode de fusion partielle et d'un métamorphisme granulitique (~850-900°C, 7 kbar). Cet événement thermique majeur, à l'échelle du Centre-Nord Madagascar, est interprété comme le témoin d'un contexte tectonique du type arc continental lié à la fermeture de l'océan Mozambique lors de la fragmentation du supercontinent Rodinia. Le dernier événement affectant l'unité d'Andriamena (530-500 Ma) est à l'origine du champ de déformation finie, qui résulte de la superposition de deux phases D1 et D2 synchrones d'un métamorphisme amphibolitique à granulitique de basse pression (650-700°C, 5-6 kbar). La déformation Cambrienne observée dans le Centre-Nord Madagascar est compatible avec un raccourcissement horizontal Est-Ouest qui résulterait de la convergence de cratons lors de la consolidation finale du Gondwana. Par leur caractère réfractaire, les Mg-granulites de UHT préservent de nombreuses textures minéralogiques permettant de retracer un trajet PT pétrographique complexe et apparemment continu. Néanmoins, les données géochronologiques obtenues par la méthode de datation in-situ sur monazite à la microsonde électronique montrent que le trajet pétrographique ne doit pas être considéré comme issu d'un seul et même événement thermique, mais plutôt comme un trajet discontinu résultant de la superposition de deux événements distincts à 2.5 Ga et 790-730 Ma. D'autre part, nous montrons qu'une partie du trajet pétrographique (décompression isotherme) correspond à un trajet apparent sans signification tectonique. Nous suggérons que cette décompression apparente résulte de l'équilibration des paragenèses réfractaires de UHT (2.5 Ga) à plus basses pressions, lors de l'événement Néoprotérozoïque moyen (790-730 Ma), sans que les conditions P-T des réactions minéralogiques observées n'aient été atteintes. La distinction qui existe entre trajet pétrographique et trajet P-T réel montre l'importance de déterminer l'âge absolu des différents assemblages et réactions métamorphiques, afin de dater différentes portions du trajet P-T. Cet objectif est atteint grâce aux méthodes de datations ponctuelles et in-situ qui permettent de dater des minéraux dans leur contexte textural et donc de corréler âge et assemblage métamorphique. Ainsi, nous avons développé une nouvelle méthode de datation in-situ U-Th-Pb sur monazite, qui utilise les méthodes chimiques (microsonde) et isotopiques conventionnelles (ID-TIMS). Par ces deux méthodes, on combine une haute résolution spatiale (~3µm - microsonde) à une haute précision analytique (ID-TIMS). La particularité de cette nouvelle approche est que la datation isotopique est réalisée sur des grains individuels extraits par micro-forage directement sur lame mince et qui ont été au préalable caractérisés à la microsonde électronique (imagerie, datation chimique...). La position texturale de chaque grain daté est ainsi retenue.