Palaeo fluid-flow in décollement of the Sicilian Neogene accretionary prism

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Palaeo fluid-flow in décollement of the Sicilian Neogene accretionary prism

Christophe Larroque, Nicole Guilhaumou, Elisabeth Nicot

To cite this version:

Christophe Larroque, Nicole Guilhaumou, Elisabeth Nicot. Palaeo fluid-flow in décollement of the

Sicilian Neogene accretionary prism. Comptes Rendus de l’Academie des Sciences Serie II, Gauthier-

Villars, 1993, pp.1485 - 1492. �hal-02918417�

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C. R. Acad. Sei. Paris, t. 317, Série

n,

p. 1485-1492, 1993

TectoniquefJectollics (GéochimieIGeochemisfly)

1485

Caractérisation de paléo-circulations de fluides dans le niveau de décollement du prisme d'accrétion néogène de Sicile

Christophe ^L^ARROQUE,Nicole Gen ... HAUMOU el Elisabeth NICOT

Rhumé - Des veines minénliisées syntectoniqucs ont été &hantillonn6cs dans les 7.cmes de chevauchement au front du prisme sicilien. Plusieurs gén~rations de fluides de haute lemptrafUre ont été piégées cn inclusions dans ces veines. L'analyse minéralogique des argiles encaissames, montre qu'il existait un déséquilibre thennique entre ces argiles Ct les fluides piégés. Ces résultats nous pcnnellem de suggérer que des fluides chauds, provenant de zones plus profondes, ont migré le long du plan de décollement.

Palaeo fluid-flow in décolJclllent of the Sicilian Neogene accretionary prislll Abstroct - S)"IIt«tollic "eins Iw"e been :>ampled in thrust fa .. /t zones, in the /romal part of t~

Sirilian accretionary prism. In Ihese l'eins, dijferent generations of "'-ami jluids !un'e bun trapped in inclusions. The clay minera/ogy of the surrounding rocks rneals tlwt the thermal eqllifibrium "'us nol reached ~(",een these doys and the jluids. These resuflS suggest thm warm jluùb (originatin8/rom duper zones) luJ\'e jlowed along rhe dkoffement.

Abridged Eflglish Version - Major décollement surfaces at the base and inside the Sicilian aeeretionary wedge consist of mélange with a "blocks in matrix" fabrie (Roure el al., 1990).

Our investigations focus on the most frontal units (fig. 1), just North of the deformation front (Caltanissetta area). This frontal domain, emplaced toward the South from Earl)" Pliocene to Early Pleistocene, involves two stacked teetonic units [the Lower Unit, made of TrÎassÎc to .Middle .Miocene sedimentS and the Upper Unît, made of Crctaceous to Early Pleistocene sedimentS (fig. 1)] bounded by a décollemenr level (Larroque, 1993). Numerous indications suggest that deformation occurred before complete dewalering (Larroque el al., 1991). Samples were collected in the thrust fault zone al the base of the Lower Unit (South of the Mt Sealpello, fig. 1). B10cks of a chert Jc"c1, interstratified in the sealy c1ayey matrix of the lower varicolored melange, display extensional "eins and burst features, typical of hydraulic breccia.

Therefore we infer that f1uids hydraulically fractured the initial chert Ievel during deformarion (photo. 1). Sorne samples show the chronology of veining (photo. 3) quartz erystallized first and was followed by at Id s[ [WO gcnerations of calcite.

Fluid inclusions wcre studicd in quartz and calcite \'cins. In quartz crystals: biphase aqueous primary fluid inclusions occur SC3ueroo inside, Microthermometric results (T .. is the melring temperaturc of the ice and T. is the homogcni7.acion temperature) arc: - 1.5<T.<O°C, typical of low saliniey water and 60 < T~ < 110°C (fig. 2). ln calcite erystals, (WO types of fluid inclusions have been cncountered: a) biphased aqucous primary f1uid inclusions with - 2 < Tm < O°C and 140 < Th < 180°C (fig. 2) and without any gas or organic component (Raman analysis). And h) monophased and biphascd hydrocarbon bearing fluid inclusions, characterized by MicroFI'IR as light aliphatics (fig. 3) with 40 < T~ < 70°C (fig. 2) and without significant amount of dissoiveJ gas.

Careful microscopie examÎnation of inclusions in calcite revdled no evidcncc of strerchîng or decrepitation. Furthermore, we have no reason to suspect either from gcologica1 history or from petrographie obsen'atÎons hcaring above lrapping rernpcrature. Thus, we consider that

Note présentée par Xavier LE P!cHo ...

0764-4450N3!U3171485 S 2.00 CI Académie des Sciences

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1486 C. Larroque, N. Guilbaumou et E. Nicot

fluid inclusions in calcite have preservcd the propcrlies of the fluids during crystal dcvelopmem and the homogeni7..ation tcmpcrnlUre Îs thercfurc significam.

For the aqucous f1uids in quartz and calcite \'cins, EDS analysis on frozeo inclusions would indicatc a very low saliniry wareT, lower Ihan 8 g/I.

In the calcite veins, wc 31so obscrvcd solid bimmcn paniclcs, their study is in progress.

Two sets of the day mélange maTrix have becn sampled just at the contact with the hydraulic breccia (10-93) and sorne tCllS of centimctrcs fUTlher (5-93). Thesc samples \Vere analysed bl' X-ray diffraction. The fraction less than 2 Ilm i5 quite differenl: a random Întcrstratificd illite/smcctite shows up in the sample (5-93), but an ordered imerstratified illiœ/smcctite of R3 type (10-93) is present just in contact with I.he veins.

If the fluids have becn trapped in the vdm during the hydraulic fracturation, the fluid pressure was near the lithost;uic pressure: 0.8-1 kb (pressure calculatcd ar rime of dcformation). Thus, the trapping tcmperature.'i (TI) wcrc near 140 ta 150°C for fluids in quartz veins and 180 to 235°C for aqucous fluids in calcite veins (the isochores arc those for pure warer, fig. 4).

Thercfore, high temperature fluids (with a prograde e\'olution from 150°C in quart"l. veins

[Q more [han 200°C in Cl.lcitc yeins) ha\'c bcen trapped in a thrust-fault zone connccted to the basal décollement in the front of the $ilician prism. 5uch a thermal evcnt is nOl regionally registercd in the surrounding: shales, but a local imprint is dctcctcd just at the contact of the hydralllic brcœia. \Ve thercfore conc1udc that these fluids ha\·c not been heatcd in situ but have flowed from a warmer zonc.

Numcrous problcms remain: 1) the cause of the absence of the veins outside the fault ?:One, 2) the nature of the hcat sour<.;e and the origin of the low-s:Jlinity warer and 3) the origin of the hydrocarbons. They will he tackled in a more general study on a fluid-flow modcl for the front of [he Sicilian prism (Larroque rt al., in preparation).

lNTRODUC110N. - Des travaux récents, basés sur des données de terrain et de subsurface en Sicile el dans l'Apennin du Sud, montrent que, durant la convergence entre les plaques Afrique et Europe (fig. 1), les sédiments déposés sur la marge africaine Cl les fonds océaniques de la Néotéthys, actuellement sutx:luits, ont été accrétés comre la marge Européenne au Néogène. Cet ensemble constitue aujourd'hui trois prismes d'accrétion- collision juxtaposés latéralement, du NE au SW: l'Apennin, la ride calabraise et la Sicile (Roure et al., 1990; Roure et al., 1991).

Le but de l'étude entreprise en Sicile était de camctériser la géométrie et la nature des éventuelles circulations de fluides, ainsi que de tenter de reconstituer les conditions Pff de piégeage de ces fluides durant la déformation.

ÉcIiANTILLONNAGE DES VEINES ET RELATION AVEC LA DÉFORMATION. - Nos invesligations ont été menées dans la partie centrale de l'île (fig. 1), au niveau des unités frontales du prisme (domaÎne de Caltanis~na) dont la déformation est datée Pliocène inféricur- PléislOcène inférieur (Roure et al., 1990; Larroque, 1993). Ce domaine fTontal est constitué par deux unités tectoniques empilées (l'Unité Inférieure, constituée de sédiments d'âge triasique à Miocène moyen et l'Unité Supérieure constituée de sédiments d'âge Crétacé à Pléistocène inférieur), limitées à leur base par un niveau de décollement (Larroque, 1993). De nombreux indices de la présence de fluides au moment de la déformatioll de ces unités se rencontrent sur le terrain: 1) fabrique écailleuse intense du niveau de décollement argileux, 2) diapirisme de boue, 3) veines minéralisées (Larroque et al., 1991); et suggèrent quc la mise en place de ces écailles a été réalisée avant la lilhification complète des roches.

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Paléo-circulations fluides dans le prisme d'accrétion de Sicile

El

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1487

Fig. l. - Schéma structural de la Sicile centrale: a, bassins piggyback (Pliocène supérieur-Pleistocène inférieur); b, Unité Teclonique Supérieure; Ct Unité Tectonique Inférieure; d, mélange vaTicolore supérieur (Crétacé supérieur-Eocène moyen); et mélange varicolore inférieur (Crétacé inférieur); f, volcanisme plio-quaternaire; g, chevauchements; h, front de déformation; i, faille normale.

Fig. 1. - Str/lctural map of central Sicif)': a, piggyback basins (LaIe Pliocene-Early Pleistocene); h. Upper Tectonic Unît; ^CtLower Tectonic Unit; d, IIpper varic%ured me/ange (Lare Cre/aceous-Middle Eocene); e, lower varicoloured me/ange (Early Cretaceol/s); f, Plio-Quatemary vIIlcanism; g, tllrus! fault; h, de/ormation front;

i, normal faulr.

Des échantillons ont été prélevés au niveau des chevauchements de base de l'Unité Tectonique Inférieure, au pied du Mont Scalpello, dans la partie orientale du domaine de Caltanissetta (fig. 1). Les échantillons analysés sont des blocs de radiolarite provenant d'un niveau interstratifié dans une matrice argileuse écailleuse (d'âge Crétacé inférieur).

Cette fonnation (mélange varicolore inférieur, fig. 1) est disposée en lentilles de 30 à 50 m au pied de la barre de calcaire triasique du Mont ScalpeUo et souligne la zone de chevauchement (Larroque, 1993).

Les blocs sont constitués par des éléments de radiolarites, dispersés au sein de veines de quartz et de calcite (photo. 1). La largeur des veines est comprise entre 1 et 20 mm et le volume moyen occupé par ces minéralisations varie de 20 à 40 % suivant les échantillons. Les veines sont plus ou moins défonnées (veines plissées et cisaillées, défonnation des macles de la calcite, décalage des différentes générations de veines). Certains blocs montrent aussi des injections d'argile entre les veines et les éléments de radiolarites (photo. 2). Toutes ces figures, typiques de l'éclatement des blocs, nous amènent à les interpréter comme des brèches résultant de la fracturation hydraulique du niveau de

C. R., 1993, 2^cSemestre (T. 317) Série Il - 110

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1488 C. Larroque, N. Guilhaumou et E. Nicot

Photo. 1. - Brèche hydraulique: a, radioJarite; h, veines de quartz; c, veines de calcite.

Photo. J. -Hydraulic breccia il! the lower mélange: a, chert; b, quartz veins; c, calcite veins.

Photo. 2. - Argiles dans les brèches hydrauliques.

Photo. 2. -Clays in hydral/lic breccia.

radiolarites initial. Quelques échantillons pennettent de reconnaître une chronologie panni les différentes générations de veines (photo. 3): le quartz est le premier à cristalliser; il est suivi par au moins deux générations de calcite (calcite l et II), dont la première emprunte partiellement le réseau des fentes de quartz.

Une étude détaillée de l'ensemble de ce secteur montre que les minéralisations sont localisées uniquement au niveau des chevauchements. Nous les considérons donc comme des veines syntectoniques contemporaines du fonctionnement de cette zone de failles (Roure et al., 1990; Larroque, 1993).

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Paléo-circulations fluides dans le prisme d'accrétion de Sicile

Photo. 3. - Différentes générations de veines dans les brèches hydrauliques:

a, quartz; b. calcite 1; c, calcite TI.

Photo. 3. -Differel/t generariolls ofveills in ,Ile hydra/die breccia:

a, quartz; b, calcite 1; c. calcire Il.

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DONNÉES DES fNCLUSIONS FLUIDES. - Les inclusions fluides ont été étudiées dans les veines de quartz et de calcite des brèches hydrauliques.

1) Dans les cristaux de quartz, on observe des inclusions fluides primaires biphasées aqueuses de 5 à 10 p,m, dispersées à l'intérieur des cristaux, du centre à la périphérie. Les résultats des mesures microthennométriques donnent des valeurs de Tm (température de . fin de fusion de la glace) comprises entre 0 et -l,5°C, caractéristiques de solutions diluées contenant moins de 2 wt% equ. NaCI. Les valeurs de T" (température d'homogénéisation) sont comprises entre 60 et 110°C avec un maximum autour de 90-100°C (fig. 2), les valeurs les plus élevées correspondant aux inclusions situées dans la zone externe des cristaux.

2) Dans les cristaux de calcite, deux types d'inclusions fluides ont été observées: - Des inclusions primaires biphasées aqueuses de 20 à 30 p,m, montrant une bonne homogénéité relative du rapport des phases Liquide/Vapeur. Les Tm sont inférieures à -2°C. Les valeurs de T" sont comprises entre 140 et 200°C avec une distribution bimodale

Fig. 2. - Histogramme des températures d'homogénéisation. A: inclusions d'hydrocarbure dans la calcite; B et C: inclusions aqueuses dans le N

quartz et la calcite.

Fig. 2. -Homogenization temperarures.

A: hydrocarbon·bearing fluid inclu·

sions i/1 ca/cite; Band C: aqlleolls flllid inclusions in quartz and calcite.

14 12 10 8

6 4

c

B A

~..t...,A."" ;"'f-'.1f-"tL'r...".. · IIll "'.-; ..-.-, ... 1..,..,..,..· ,-...

50 100 150 ²⁰⁰

Th

COC)

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1490 C. Larroque, N. Guilhaumou et E. Nicot présentant deux maximums à 140 et 200°C (fig. 2). Ces inclusions ont été analysées par microspectrométrie Raman multicanale dans les conditions définies par Burke et Lustenhower (1987). Aucun gaz ou composé organique dissous n'a pu y être détecté (la limite de détection pour CH. se situe autour de 0,04 mole%).

- Des inclusions monophasées et biphasées à remplissage liquide légèrement jaunes en lumière transmise et très fluorescentes en éclairage UV (À = 365 mm). Ces inclusions, qui se trouvent également en injections secondaires de la calcite vers le quartz, ont été analysées par microspectrométrie infrarouge sur Nic Plan (Nicolet) selon une technique précédemment décrite (Guilhaumou el al., 1990). Les spectres obtenus présentent des bandes caractéristiques des liaisons CH aliphatique entre 2800 et 3000 cm-^I (fig. 3).

Aucun signal n'est enregistré dans les zones correspondant à des liaisons aromatiques, au CH., au CO2 ou à des composés sulfurés ou nitrés. Les bandes d'absorption de l'eau sont très faibles ou nulles.

AB' 1.80

1.60

1.40

1.20

1.00

0.80

0.60

Objectif 15X IRuS 128sc. 4cm- 1

Singlebeam ratio

,-~~~~~~~~~~~~~~~~~

3800 3600 3400 3200 3000 2800

Wavenumber (CM-li 2600 2400 2200

Fig. 3. - Spectres infrarouges des inclusions d'hydrocarbure présentant les vibrations caractéristiques des composés aliphatiques: 2852-2922-2956 cm-¹(C-H aliph); 2138-2242 cm-1 (quartz).

Fig. 3. - MicroFTIR spectra of hydrocarboll inclusions, the spectrum shows characteristic vibrations of aliphatic components: 2.852-2,922-2,956 cm-^I(C-H a/iph); 2,138-2,242 cm-I (quartz).

Pour tenter de préciser la salinité des inclusions aqueuses, nous avons analysé ces inclusions, préalablement gelées, dans un cryostat à l'aide d'un système couplé RX-MEB, selon la méthode de Ayora et Fontarnau (1990). Le système permet l'analyse quantitative des espèces iortiques en solution avec des limites de détection de l'ordre de 0,03 mole%.

Par comparaison avec des solutions étalons (eau de mer diluée), nous avons pu établir une salinité des inclusions inférieures à 8 g/l.

Dans les veines de calcite, on observe également des particules bitumineuses solides qui témoignent qu'elles ont été soumises à des températures supérieures à 100°C (Guilhaumou et Larroque, 1993). Leur étude est en cours et sera exposée ultérieurement.

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1492 C. Larroque, N. Guilhaumou et E. Nicot

ou« leakage ». Ces modifications interviennent toujours par surpression interne. lors d'une surchauffe suffisante. Des figures caractéristiques (cluster de décrépitation, microfissures par exemple) son! généralement observées dans les minéraux (Guilhaumou et al., 1984;

Bakker, 1992). Dans le cas de notre étude, aucun événement connu ne permet de suspecter une surchauffe postérieure à la formation des inclusions, qui de plus ne présentent aucune figure caractéristique de décrépitatation (y compris à l'observation au MEB). Ainsi, la conservation des propriétés initiales des inclusions dans les veines de calcile nous paraît.

dans ce cas, raisonnable et les températures d'homogénéisation significatives.

On peut donc conclure que des fluides à température élevée (avec une évolution de

Isoo e

pour les veines primaires de quanz et à plus de 200⁰

e

pour les veines secondaires de calcite) ont été piégés dans les zones de chevauchement au front du prisme sicilien (Larroque, 1993). Le déséquilibre thermique entre l'encaissant argileux et les fluides inclus dans les veines ainsi que le gradient thermique apparent suggèrent que ces fluides n'ont pas été chauffés in ^Sitlldans le mélange varicolore inférieur, mais ont migré depuis des zones plus chaudes. Par conséquent. nous proposons que des fluides de tempéralUre élevée aient circulé en plusieurs épisodes dans ces zones de chevauchement.

A panir de ces résultats, un cenain nombre de problèmes restent posés concernant:

1) la raison de l'absence de veines minéralisées hors des zones de faille; 2) la source de chaleur et l'origine des fluides dilués ainsi que 3) l'origine des hydrocarbures (roche mère potentielle) et leur mécanisme de migration. lis seront abordés dans une étude plus générale en relation avec un modèle de circulation de fluide proposé pour le front du prisme sicilien (Larroque et al .• en préparation).

Note fl:mise le 21 septembre 1993. acceptée après révi~ion te 21 oetobTe 1993.

R~KENCES 81Bt.J(lGRAPHtQ4JES

C AYORA et R. FONTARNAU. X·r~y miçmanal)l$is cf frouo /luid inclusicos. Ch~m, G~()I .. 89. 1990. p. 135_148.

KI. BAKKER. On modifications Gf /luid inclusions in quanz. PI!, D. th~sis. Facnltei1 AllfdwClcnsthaPf"', des Rijks Univ ..

Utrecht, Pay~-Bli. 1990.

E. A. BURKE çt J. LUSlcNHOWER. '"'" application of mulliçhannel Raman microprobe 10 !he anaIym. of /lui<J indu.ion.<, Chtm. Gwl.. 6t. 19117. p. 11-17.

1. R. FISHER, 'The: vol""",1riç propettics of H!O, J. Rf$. Us. Gwi. Sun-t)', 4. 1976, p. 189-193.

fil. GUILHAUMOU, B. VELDE et C. BENY, Raman miçroprobe analy~is of p7.eous inclusions in di43"netic:olly recJ)'slallilCd calcite. Bull. Minual. 107. 1984. p. 193·202.

N. GUILHAUMOU, N. SZYDLOWSKl CI B. PRADIER. '-1:mr4Ctcrisation of hydrocarbon /luid inclusions by infrared and /luoreilCCnc.: microspecuornmy. Mintra/, Mag .. 54. 1990. p. ³¹^1-324.

N. GUILHAUMOU ct C. LARROQUE. Oo--ganic maner associalcd 10 "'anTI Muid circulatiO<1' in hydr.mlic breccia. eUG VII.

Ttno AbsuQ('/s. 5. 1993. p. 458.

C. LARROQUE.. J. F. SlB'HA.'l. F. ROlf RE, R. CAMPREOON et C. MÜLLER. Défortl\3tion progressive el diapirisme argileux nlogtnc .u front du prisme de ~oIlisiO<1 sicilien, C. R. Acod. Sri. PariJ. 313. strie n, 1991. p. 807-814.

C. LARROQUE. L '""crélioo tectonique de sétlimcms: modalités géométriques et cinémalique$. palro-eirculalion de fluides.

TMu IÙ Doctorut, Universit~ de Nice·Sophia Antipolis, Fr;\l1cc, 1993. 200 p.

E. NICOT. C.LARROQUE. N. GUlLHAUMOU. F. ROURE cl J. F. STEPHAN. Para8en~~s argiI~usel CI analyses

!IÙDéfalogiques dans le plan de décollement du pril;mc sicilien, Bull. Liaiso~ SFMC, 4fl. p. 38.

E. A. PERRY el J. HOWER. Llue stage: dehydratalion in dœpl)' hurled pelitic scdirnenl$, NIl. MOC. Pu. GwI. Bull., 10.

1972. p.2013-2081.

F. ROURE. D. G. HOWELL. C. MOtLER. et J. MORETIl. Ull<: Cenozoi,c subduCI;O<1 complex of Sicil)', J. SII'WI. G~oI ..

12. 1990, 259-266.

F. ROURE. P. CASERO Ct R. VIALLY. Gro"'lh pr<)C(:OI.~s and oY:lan1.'Ç (onnation in the Southcm Apenninic accreliOllaJ)'

",edge. Mrlh und Phwtl. Sri. L(ff~rs. 102. 1991. p. 395-412.

B. VELDE el O. VASSEUR, Estimalion of the diagenelic smcctitc 10 iHile IIaIlSformatiO<1 in lime lemper.slurc_space. Am Minam .. 77. 1992, p. 967-976.

B. VELDE. Clay mi_Fals: pltylko .. ('/r~mirQI exp/QlIQtion al tilt tJITur"ff('t. EI ... ie:r. AmSIeniam. 1985. 426 p.

C. L. : Institut d~ GlodytWmi'lue. URA

,, 0

1279. CNRS.

Univ. de Nia~Çoph;a Anti{IQ/is. ",'enu~ A,·EinSltin. 06560 Va/"",,~. l'ranu.- N. G. el E. N. : LaboralOi,.,. de Géolalf,'t. Écol~ Normale S"pirj~ure,

24. nu Uwmond. ^75()()5Pads. France