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Thesis (Ph.D.) -- Memorial University of Newfoundland. / Appendix V includes offprints of four published papers on the thesis area. Bibliography : leaves 271-292. Also available online.

The České středohoří Mts. forming the most important and active part of Ohře/Eger rift are formed by volcanic rocks of Tertiary age containing upper mantle xenoliths which can provide us information about internal structure of upper mantle. This diploma thesis is focused on the study of mantle xenoliths from this part of Bohemian massif close to the city Litoměřice (4 locations: Dobkovičky, Prackovice, Kuzov, Medvědí hill) and for comparison another 4 locations of mantle xenoliths from the northern Bohemia locaties Brtníky in Šluknovský ledge, Kraslice and Zámeček at Fláje in Krušné Mts. and Venuše volcano in Nízký Jeseník at Bruntálská Highlands. Almost all studied xenoliths are spinel harzburgites or lherzolites with mineral association olivine + orthopyroxene + clinopyroxene + spinel (the most often Cr-spinel). They have usually protogranular texture followed by porfyroclastic texture (porfyroclasts are represented by olivine, orthopyroxene and in some cases also by clinopyroxene, and fine-grained matrix of all these minerals with olivine showing undulose extinguishes). An equigranular texture is the least common. Host rock of the xenoliths is always basanite. The most abundant mineral in peridotite xenoliths is olivine with #Mg value 89,4-91,5; followed by orthopyroxene with #Mg value 90,8-92,1...

The oceanic lithosphere forms as a residue of partial melting of the mantle beneath the mid-ocean ridge axis. Subduction of this residual layer has a profound impact on the Earth’s thermal and geochemical cycles as the recycling of this layer facilitates heat loss from the Earth’s interior and induces geochemical heterogeneities in the mantle. The goal of this study is to understand the thermal and geochemical evolution of the oceanic lithospheric mantle from a petrological perspective. An empirical geobarometer is calibrated for ocean island xenoliths in order to understand the thermal structure of the oceanic lithospheric mantle. The results of 0.1 MPa experiments from this study and high-pressure experiments from previous studies are used in the calibration. The uncertainties on pressures derived using the above geobarometer are high and hence could not be tested against thermal models for the oceanic lithosphere. The geochemical evolution of the oceanic lithospheric mantle involves post-melting geochemical modifications such as metasomatism. The geochemical evolution of the uppermost oceanic lithospheric mantle is studied using harzburgites from Hess Deep ODP Site 895, which are depleted in moderately incompatible elements relative to the global suite of abyssal peridotites. A comparison between Yb-abundances in Hess Deep harzburgites iii iv and those of a model depleted MORB mantle (DMM) residue reveals that the harzburgites have undergone up to 25% melting, assuming 0.5% melt porosity. Higher light and middle rare earth elements in the Hess Deep harzburgites than the model DMM melting residue are interpreted as the result of plagioclase crystallisation from melts being extracted by diffuse porous flow through the upper mantle. The effect of plagioclase crystallisation does not affect the chemistry of residual mineral phases as evidenced from the depleted light rare earth element abundances in clinopyroxene relative to the bulk rock. Ocean island xenoliths are studied to understand when and where metasomatism occurs in the deeper portion of the oceanic lithosphere. The median values of measured and reconstructed bulk concentration of Al2O3 in most ocean island xenoliths is lower than in abyssal peridotites, which generally would be interpreted as indicating a higher extent of melting in the former. However, a comparison between Yb- abundances in ocean island xenoliths and abyssal peridotites with a model DMM melting residue suggests that the extents of melting in the suites of rocks are broadly similar. Although fewer in number than ocean island xenoliths, abyssal peridotites from several locations have low concentrations of moderately incompatible elements. Metasomatism is observed in both, ocean island xenoliths and abyssal peridotites in the form of higher bulk rock Ce and Nd concentration than the model DMM melting residue but the extent of metasomatism is higher in ocean island xenoliths. There is no correlation between the concentrations of bulk rock Ce, Nd, Sm and Eu of ocean island xenoliths and age of the oceanic lithosphere from which the xenoliths originate. It is interpreted that metasomatism in the lower oceanic lithospheric mantle occurs near the ridge axis above the wings of the melting column. / Graduate / 0996 / 0372

Le fonctionnement et la structure hydrogéologiques des aquifères de socle des granites et des gneiss sont aujourd'hui relativement bien compris. En revanche, dans cet ensemble, les aquifères dans les péridotites sont très peu étudiés et mal compris. Dans ce contexte, les massifs obductés de Nouvelle-Calédonie présentent un laboratoire naturel exceptionnel pour améliorer la connaissance de cet hydrosystème original en contexte tropical. Ainsi l'objectif du présent travail de thèse est d'approfondir la connaissance de la structure et du fonctionnement hydrogéologiques de ces massifs. L'analyse porte d’abord sur le manteau d'altération constitué de la cuirasse, des latérites, des saprolites grossières et du saprock. Plus de 60 essais hydrauliques sont menés sur les massifs de péridotites et les résultats sont compilés aux données existantes. La conductivité hydraulique moyenne des latérites est évaluée à 1.10-7 m/s et celle des saprolites grossières et du saprock à 8.10-7 m/s. L'hétérogénéité de cet horizon altéré est marquée par une gamme de variation de la conductivité hydraulique sur six ordres de grandeur et l'analyse piézométrique met en évidence des connexions hydrauliques avec le substratum fracturé profond. Le substratum est ensuite considéré. L'étude de la fracturation est réalisée à partir de mesures structurales sur affleurement et de la description de près de 1000 m de carottes de forages. L'analyse de la fracturation met en évidence l'importance du réseau serpentineux par sa densité d’une part, et par son lien avec l'altération supergène d'autre part. De plus, il est vérifié que la conductivité hydraulique du substratum diminue avec la profondeur. Cette variation est liée à la diminution de la densité de fractures altérées. Ainsi, à l'issue de ces analyses, la structure des massifs de péridotites est définie. Un réseau primaire de fractures d’espacement décimétrique lié au réseau serpentineux préstructure les péridotites. Sur ce réseau se surimpose un réseau de fractures dont l'espacement est décamétrique et caractérisé par une altération supergène. Les fractures altérées présentent localement de fortes conductivités hydrauliques, de l'ordre de 10-5 m/s. En profondeur l'espacement des fractures est hectométrique et les fractures sont majoritairement fermées, scellées par les minéraux néoformés ou par l'effet de la pression lithostatique. Les réseaux de fractures déca et hectométriques, visibles également sur l'effet d’échelle de la conductivité hydraulique, sont majoritairement verticaux, développés par instabilité de dissolution lors des processus d’altération. Cependant, des structures à faible pendage existent également et permettent la percolation du réseau. Enfin, à partir de ces nouveaux résultats et de l’intégration de l'ensemble des données acquises sur les différents massifs, un modèle de structure et de fonctionnement hydrogéologiques est proposé à l'échelle du massif. Ce modèle comprend l'horizon des latérites qui constitue un aquitard homogène sous lequel se développe l'aquifère dont l'épaisseur est de l'ordre de cinquante mètres. Le substratum est discrétisé en trois couches dont la conductivité hydraulique décroît de 2.10-7 à 2.10-8 m/s entre 50 m et 250 m environ sous le mur de l'aquifère. Les modèles numériques construits permettent de valider le modèle conceptuel unitaire et montrent que l'état de saturation des massifs est contraint par leur géomorphologie. Au terme de ce travail, plusieurs aspects doivent encore être approfondis. Le rôle hydrogéologique de la cuirasse doit être précisé et considéré dans le modèle hydrogéologique. Enfin, compte tenu du développement possible de structures très perméables, voire pseudo-karstiques, la connaissance de la distribution des structures drainantes doit être améliorée. Les résultats appliqués de ce travail de recherche sont exposés dans un rapport final et un guide méthodologique livrés dans le cadre du projet CNRT « HYPERK ». / Water resources of hard-rock (gneisses or granites) aquifers have significantly been studied in the past two decades. The hydrogeological behavior and structure of these aquifers are thus relatively well understood. On the other hand, aquifers in mantle-type basements, such as peridotites, are poorly studied and understood, mainly because they are not common and of limited extent. In this context, New Caledonia is a great laboratory offering unique opportunity to improve the knowledge of these original types of hydrosystems in tropical climate. Thus, the objective of this thesis is to improve the knowledge of these aquifer systems within weathered peridotites. Firstly, the study focuses on the characterization of the weathered layers of the peridotites composed of, from top to bottom, iron oxides/ferricrete, laterite, coarse saprolite and saprock (ie. top of the bedrock, with up to 20 % of weathered material). More than 60 hydraulic tests are performed and results were compiled with existing data. Mean hydraulic conductivity (K) of laterites is estimated around 1.10-7 m/s while mean value in coarse saprolites and saprock is around 8.10-7 m/s. Heterogeneity of this altered layer is high; K varies between six orders of magnitude and hydraulic head data analysis reveals a hydraulic connection with the deep fractured bedrock. Secondly, the fresh rock part of peridotites is studied. Fracture network analysis is derived from outcrop structural measurements and from the description of about 1000 m of cumulated borehole cores. This work highlights the importance of serpentine network, because of its high density and its critical impact on weathering. Moreover, the observations reveal that hydraulic conductivity decreases with depth within the substratum, due to the vertical decrease of weathered fractures density. These new results allow defining a structural framework of the massifs. It is characterized by a primary decimetrical fracture network closely related to the serpentine network. This network is overprinted by a secondary weathering network which reveals decametric spacing (ca. 30 m) and in places K values of 10-5 m/s. At depth, spacing is hectometrical and fractures are sealed by lithostatic pressure and/or subsequent mineral precipitations. These deca- and hectometric fracture networks, which are also visible on the scale effect of hydraulic conductivity, are primarily vertical and are the result of dissolution instabilities occurring during weathering processes. However, low- angle fractures do occur and allow the percolation of the network. Finally, on the basis of these new results and the integration of all existing data from different massifs a new hydrogeological conceptual model is proposed at the scale of a massif. The model includes a homogeneous lateritic aquitard and a coarse saprolite and saprock aquifer which is about 50 m thick. The bedrock is subdivided into three layers whose hydraulic conductivity decreases from 2.10-7 m/s to 2.10-8 m/s, respectively 50 and 250 m below the aquifer base. Numerical modelling validates this unitary conceptual model and reveals that the saturation of the massifs depends on their morphology. At last, several aspects require further research. The role of the ferricrete layer must be specified and considered in the hydrological model. Moreover, distribution of the fracture network remains to be fully addressed and should be studied with care given the potential development of highly permeable structures that could conform to pseudo-karstic drains. The applied results of this work are available in a “Technical guide” and a “Technical report” of the “HYPERK” CNRT Project.

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La connaissance minéralogique et géochimique des gisements de nickel latéritique est sans aucun doute plus approfondie que celle de leur structuration. En effet, le profil d’altération oblitère le réseau de fracture affectant la roche mère sous-jacente, pourtant indispensable pour l’évaluation de la ressource car elle contrôle l’essentiel de l’altération et donc la libération du nickel. La Nappe des Péridotites de Nouvelle-Calédonie constitue un objet exceptionnel d’étude de la fracturation au sein d’une ophiolite mantellique car le soulèvement majeur et les phases d’érosion subséquentes, qu’elle a subis du Miocène à l’Actuel, ont permis de mettre au jour la structure en trois dimensions. Cependant, la facilité d’accès à la ressource fait qu’à ce jour assez peu d’études structurales ont été conduites sur les gisements, ou le plus souvent, sont restées confidentielles. L’objectif de cette étude est de mieux comprendre l’influence de la structuration de l’ophiolite sur la genèse des gisements de nickel latéritique en Nouvelle-Calédonie. Cette étude multi-échelle a porté sur l’ensemble de la Nappe des Péridotite et se scinde en deux volets : 1) une étude structurale de terrain, et 2) l’interprétation de données d’électromagnétisme nouvellement acquises. Cette campagne de géophysique héliportée a été effectuée sur trois zones minières représentatives des différents types (morphologiques et génétiques) de gisements rencontrés en Nouvelle-Calédonie (les massifs de Koniambo et du Kopéto-Boulinda et au sud, la zone de Plaines des Lacs – Goro - Port-Boisé).L’analyse de la fracturation des péridotites est primordiale pour comprendre les chemins de migration des eaux météoriques et donc les variations d’épaisseur du profil d’altération. Une approche minéralogique et texturale est nécessaire afin de distinguer les différents épisodes de fracturation et de remplissage statiques ou cinématiques, et permet de proposer une chronologie relative. À la suite de cet inventaire, il est possible d’identifier ces objets sur les profils d’électromagnétisme. Cette analyse permet de visualiser la géométrie des structures jusqu’à une profondeur de 300 m et montre un lien direct entre les approfondissements du profil d’altération et la présence de certaines fractures. Ainsi, il apparait clairement que les eaux météoriques empruntent des chemins préférentiels fonction de la morphologie générale du massif elle-même issue des structures héritées.La géométrie des structures visualisées par la géophysique, combinée aux observations de terrain, permet de mieux appréhender la complexité du système. A l’issue de ce travail, il est possible de replacer chacun des types d’objets observés dans leur contexte géodynamique et ainsi de restituer l’histoire de l’ophiolite depuis l’accrétion océanique jusqu’à son émersion à l’Oligocène. Un modèle révisé de la genèse des gisements de nickel en Nouvelle-Calédonie est présenté et de nouveaux guides d’exploration sont proposés. L’électromagnétisme s’avère être une méthode particulièrement adaptée pour visualiser la géométrie globale du profil d’altération et constitue une aide substantielle à la prospection et la modélisation des gisements de nickel. / The mineralogical and geochemical understanding of lateritic nickel ore deposits is undoubtedly better constrained than their tectonic structure. Indeed, the fracture network of the underlying bedrock is typically concealed beneath a thick weathering profile. However, this fracture network strongly controls weathering and ultimately nickel release from peridotites, thus improving its knowledge appears critical in the evaluation of nickel resources. In New Caledonia, the Peridotite Nappe is a particularly outstanding case study because Early Miocene to Recent uplift and subsequent erosion allow the structure of a mantle ophiolite to be observed in three dimensions. However, due to the easy access to nickel resources, only a few structural studies have been undertaken, or remained confidential. The main objective of this study is to better constrain the role of the fracture network of the Peridotite Nappe in the genesis of New Caledonia’s lateritic nickel ore deposits.A multiple-scale study of the whole Peridotite Nappe has been performed following two main parts: i) field-based structural observations and analyses; and 2) interpretation of new acquired heliborne electromagnetic data. The latter focused on three mining areas (massifs of Koniambo and Kopéto-Boulinda; and, Plaine des Lacs – Goro - Port-Boisé), which are representative of the different types (morphologic and genetic) of nickel ore deposits encountered in New Caledonia.The study of the fracture network is essential in the understanding of the migration of meteoric waters and thus thickness variations of the weathering profile of peridotites. A mineralogical and textural approach has been undertaken to distinguish the various steps of fracture development on the basis of static or synkinematic infill events and eventually allowed a relative chronology to be proposed. Following this inventory, it has been possible to identify these objects on electromagnetism profiles. This analysis allows visualizing the geometry of controlling fractures at depth and reveals a direct link between deepening of the weathering profile and the fracture network. Ultimately, it clearly appears that meteoric waters use preferential pathways that in turn depend on the geomorphology of each massif, which originate from the inherited fracture network. The combination of geophysical data interpretation and field observations allow a better understanding of the complex nappe structure. Our results allow every described tectonic object to be replaced in its geodynamic setting and thus the full ophiolite history to be restored, from oceanic accretion to emersion in Oligocene. A refined model for the genesis of New Caledonia’s lateritic nickel ore deposits is proposed, as well as additional metallotects for exploration. Electromagnetism appears to be appropriate for describing the overall geometry of the weathering profile and can be useful in prospecting and modelling nickel ore deposits.

Peridotites occuring in orogenic massifs provide important insights into geochemical processes of the Earth's upper mantle by providing direct evidence of mantle evolution throughout Earth history. It has been previously demostrated (e.g. Medaris et al., 1990, 2005) that the uppermost tectonic unit of the Bohemian Massif - the Gföhl Nappe hosts a variety of peridotites that originated from different sources, including subcontinental lithosphere, suboceanic asthenosphere, and possible ultramafic layered intrusive complex. The Czech peridotites of the Gföhl Nappe has been divided into three groups, defined by Medaris et al. (1999), according to their chemical compositions, identity and relations of the aluminous phases, ortopyroxen compositions and estimated P-T conditions. According to Medaris et al. (2005) "Type I" peridotites - represented by Mohelno and Biskoupky bodies - equilibrated in low P-T regime (recording the highest equilibration temperatures - up to 1335 ⁰C at 29 kbar - among the Gföhl peridotites) consist of spinel peridotite with garnet appearing only at its margins. Peridotites are enclosed in granulites that have been extensively recrystallized mostly at amphibolite-facies conditions. Many studies have been done on this locality and a wide range of mineralogy and P-T histories has...

L'étude de la distribution des éléments du groupe. du platine (PGE : Ir, Ru, Rh, Pt et pd) et de l'or dans les péridotites orogéniques (Ronda, Beni Bousera) permet de mettre en évidence le comportement différentiel de Cu, Pt et Pd par rapport à Ni, Ir et Ru et d'aborder les mécanismes de leur différenciation au cours de la fusion partielle. Ce comportement résulte d'une extraction de Cu, Pt et Pd par les liquides silicatés sous forme d'une phase sulfurée. A l'inverse, Ir et Ru restent piégés dans les résidus de fusion probablement sous forme de grains réfractaires interstitiels. Alors que dans les péridotites des Beni Bousera le Rh montre un comportement sùnilaire à celui de Pt et Pd (chalcophile), dans les péridotites de Ronda, il est plutôt réfractaire tout comme Ir et Ru. Les mesures de la fugacité en oxygène et les analyses du spinelle écartent l'hypothèse d'une incorporation du Rh dans ce minéral comme le supposent les résul1ats expérimentaux de certains auteurs. Le comportement ambivalent du Rh peut être attribué plutôt à des fugacités en soufre plus faibles dans les péridotites de Ronda que dans celles des Beni Bousera. Par ailleurs, la distribution des PGE dans les xénolites de péridotite à spinelle des basaltes alcalins (France, Sud de l'Espagne) est caractérisée par des spectres des teneurs normalisées au manteau relativement plats et ne semble pas être influencée par le processus de fusion. Elle refléterait une refertilisation ou une rétention d'une fraction sulfurée riche en Pt et en Pd par un manteau plus ou moins déprimé, à la suite de multiples extractions basaltiques. Les profils sensiblement plats caractéristiques du manteau sous-continental ne traduisent pas obligatoirement un matériel mantellique primitif. L'étude des pyroxénites des massifd ultrabasiques de Ronda et des Beni Bousera s'est focalisée principalement sur les pyroxénites à grenat suite à la découverte d'un faciès de clinopyroxénites à grenat ± corindon inhabituel à Ronda. Les spectres des teneurs en PGE et en Au de pente Pd/Ir positive et variable, couplés aux compositions en éléments majeurs et en traces, illustrent l'hétérogénéité géochimique des pyroxénites. Ces dernières peuvent être regroupées dans deux lignées distinctes. Une première (pyroxénites à grenat s.s. et pyroxénites à spinelle s. L) est caractérisée par un rapport AlpJFeOtot < 2.7. Les basses teneurs en Ir, Ru et Rh notées dans ces roches peuvent être reliées à une précipitation précoce de ces éléments en réponse à une augmentation de JO 2 tandis que les teneurs en Pt, Pd et Au sont gouvernées par les sulfures. Certaines similitudes entre les pyroxénites à grenat s.s et les pyroxénites à spinelle s.L suggèrent un lien génétique entre ces deux faciès. La seconde lignée, correspondant à des clinopyroxénites à grenat ± corindon très alumineuses (A1PJFeOtot> 2.7), montre des niveaux de teneurs très faibles, ou au contraire, très riches en PGE. La variation des teneurs observée ne concerne que les PPGE et l'Au et peut être attribuée à une ségrégation d'une faible fraction de sulfures. Cette ségrégation n'est pas à l'origine de l'appauvrissement en Ir et en Ru. Un tel appauvrissement est la conséquence d'un fractionnement de ces éléments antérieurement à la saturation en soufre. Les différences entre les deux lignées précédentes permettent de leur suggérer une origine et une évolution géochimique distinctes. L 'hypothèse d'une origine à partir d'un proto lite riche en plagioclase paraît plausible pour la lignée alumineuse au regard de certaines de ses caractéristiques géochimiques (AlP> anomalie en Eu, PGE). Par ailleurs, les associations de Pt, Pd et Au avec les sulfures, observées au MEB, corifirment la grande dépendance de ces éléments pour le soufre. Toutefois, les minéraux silicatés et le spinelle ne jouent aucun rôle capital dans la concentration des PGE remettant ainsi en question les hypothèses Ù1lpliquant l'affinité des IPGE pour ces phases minérales. Ainsi, l'idée que l'on peut se faire sur le manteau, à travers les divergences* entre les péridotites orogéniques et les péridotites sous,continentale. et la diversité des pyroxénites, est celle d'un domaine très hétérogène. Cette hétérogénéité est acquise suite à des évolutions pétrogénétiques, physico-chimiques et géodynamiques distinctes.