Melt extraction zones and the formation of comb layers and orbicules in shallow calc-alkaline plutons, Fisher Lake, Sierra Nevada

The Fisher Lake Pluton, Northern Sierra Nevada, was formed incrementally in Creta- ceous times (ca.llOMa), forming a zoned pluton grading from diorites interspersed with irregular gabbro bodies to granodiorites and granités as one moves to the East. The diorite bodies are of particular interest, as the show widespread evidence of magma flow structures, and in particular, large sections of comb layers and orbicules bodies. These features, throughout the past 40 years, have been either described as forming through processes of fluid-flow, metamorphism or magma-mixing at the rims of cooling plutons. The overlapping geochemical, isotopic and mineralogical signature of host rocks, orbicule cores, orbicule matrix, comb layers and orbicule rims (comb layers on orbicule cores) attest to their crystallization from similar water-undersaturated basaltic-andesites at shallow depth. Orbicule cores (olivine-bearing norites, hornblende diorites and gabbros) crys- tallized at 2 kbar as well, attesting to their local remobilization prior to the growth of orbicule rims. One fondamental différence between ail these lithologies resides in the anorthite content of plagioclase, which shifts to more primitive compositions in comb layers, orbicule rims and the orbicule matrix. This suggests that the crystal-poor melts forming these features are more hydrous than host rocks and orbicule cores, leading to possible geochemical gradients (H20) as a key feature in initiating comb layer growth. The lack of a clear power-law relationship between comb layer thickness and frequency attest to a non-chaotic system, with individual dm-m thick sequences of similar comb lay¬ers interpreted as representing individual melt puises. We show that the liquidus minerai within comb layers and orbicule rims is near-exclusively plagioclase, forming a plagioclase comb structure, with pyroxene and amphibole crystallizing fnterstitially, thereby indi¬catif that these lithologies are formed by decompressing hydrous mafic melts. Detailed chemical and mineralogical studies of comb layers and orbicule rims show a lack of evolved mineralogy and well zoned comb textured minerais, attesting to the removal of interstitial melt upon crystallization. Furthermore, though orbicules and comb layers are genetically related, orbicules lack comb textured amphiboles, coarse grained melt-clots and show unique melt-mineral reaction textures. The diversity of comb layers and orbicule rims is controlled by the composition and water content of the ascending melts, the extent of undercooling, latent heat of crystallization and cooling rate. We propose that comb layers and orbicules represent localized subvertical melt-extraction zones within a subvolcanic plumbing system, preserving unique evidence of crystal fractionation and upper-crustal melt migration processes at very short timescales of weeks to decades. -- Le Pluton de Fisher Lake, Sierra Nevada, a été mis en place de manière incrémentale au Crétacé (ca. llOMa), formant un pluton zoné dominé par des diorites contenant de rares corps gabbroïques irréguliers et évoluant vers des granodiorites et granités vers l'Est. Les diorites sont d'un intérêt particulier, car comprenant des textures de mouvements mag¬matiques et surtout du litage en peigne ainsi que des gabbros et diorites orbiculaires. Ces structures ont tour à tour été interprétées comme le résultat de migration de fluides, de métamorphisme ou de mélange de magma dans les bord de plutons. Les similitudes géochimiques, isotopiques et minéralogiques des roches encaissantes, coeurs d'orbicules, matrix orbiculaire et les couches extérieurs des orbicules (litage en peigne formé sur le coeur orbiculaire) sont le résultat de la cristallisation de basalte-andesites sous-saturés en H2O dans la croûte supérieur. Les coeurs d'orbicules (olivine-norites, diorites et gabbros à hornblende) montre une remobilisation local seulement, ayant eux aussi cristallisé à 2 kbar. Une différence fondamentale entre toutes ces lithologies réside dans la composition du plagioclase, qui est plus primitive dans les litage en peigne et la matrice orbiculaire que dans les roches encaissantes et les coeurs d'orbicules. Cela suggère que les mag¬mas formant ces structures sont plus hydratés que l'encaissant, permettant la formation d'un gradient chimique (H20) qui initierait la formation de texture en peigne. L'absence de loi de puissance entre la fréquence et la taille du litage suggère un environnement non-chaotique. Les litage ayant une minéralogie similaire forment souvent des séquences pluridécimétriques à métriques qui sont interprétées comme représentant des puises mag¬matiques individuels. Nous montrons que le minéral au liquidus est le plagioclase, formant une structure en peigne, avec par la suite la cristallisation de pyroxènes et hornblende. Cela suggère que ces lithologies se forment par la cristallisation des magmas hydraté en décompression. L'étude chimique et minéralogique de divers orbicules et litage en peigne met en évidence le manque de minéralogie différenciée et de minéraux bien zonés, indi¬quant une remobilisation du liquide interstitiel différencié lors de leur cristallisation. Bien qu'étant génétiquement liés, les couches extérieurs orbiculaires, au contraire du litage en peigne ne contiennent pas d'amphibole en texture allongée, ni de cristallisation de liq¬uide interstitiel évolué et ont des textures de remplacement particulières. La diversité de ce type de litage est contrôlée par la composition et la quantité d'H20 du magma, de la surfusion, de la chaleur latente de cristallisation et du taux de refroidissement. Ils représentes des structures subverticales d'extraction de magma dans un environnement subvolcanique, préservant ainsi des preuves uniques de processus de crystallisation frac¬tionnée lors de migration de magmas à travers la croûte supérieur en l'espace de quelques jours à quelques années. -- Le volcanisme d'arc est produit par la déshydratation de la plaque subductante qui va abaisser la température de fusion du manteau, permettant ainsi la genèse de magmas basaltiques qui vont remonter à travers le manteau et la croûte continentale. La baisse de pression et le refroidissement lors de l'ascension va permettre aux magmas d'évoluer par cristallisation fractionnée vers des liquides plus évolués. Afin d'étudier les mécanismes d'extraction des magmas à travers la croûte et leur transport jusqu'à la surface, nous nous focalisons sur la présence de litage en peigne (comb layers) et d'orbicules dans la région de Fisher Lake, dans la Sierra Nevada, en Californie (USA). Ce litage est caractérisé par la croissance de minéraux allongés perpendiculairement à la surface du litage, cristallisant soit sur un xénolite (morceau de roche remobilisé par le magma) ou le rebord d'un pluton dans des contacts intraplutoniques. Le litage en peigne peut former un litage rythmique plurimétrique composé de plusieurs centaines de couches de minéralogie et texture var¬iées. Le processus de formation de ces roches reste controversé et inclus des processus métamorphiques, de migration de fluides ou de mélanges entre magmas. L'étude détaillée des différentes lithologies nous montre que le minéral primaire cristallisant pour former les orbicules et le litage en peigne est le plagioclase, formant un litage représentant un cumulât. Nous interprétons le formation de ces couches comme résultant de l'ascension de magma hydratés à travers la croûte lors d'une remontée adiabatique, induisant la dis¬solution de minéraux préexistants. Lorsque ce magma en surfusion atteint la saturation en volatiles à faible profondeur, une cristallisation par décompression aura lieu, permet¬tant au plagioclase de cristalliser sur des surfaces solides préexistantes. Par ailleurs, un gradient thermique sur les roches encaissantes permet de créer une plus grande diver¬sité de litage magmatique en induisant, par exemple, la cristallisation d'amphiboles en texture en peigne qui ne se forment pas sur les orbicules. Après la formation d'une pre¬mière couche, le liquide résiduel évolué sera assimilé et érodé par le magma ascendant, permettant la cristallisation d'une nouvelle couche. Nous mettons en évidence que des couches décimétriques de litage en peigne se forment par un seul événement (injection) magmatique. La formation d'orbicules et comb layers est le résultat de deux contraintes principales, (i) la quantité d'eau dans le magma et (ii) la capacité du magma à remonter de manière adiabatique, formant un magma en surfusion. Nous interprétons le litage en peigne et les orbicules comme des reliques de migration de magmas à l'interface entre des plutons préexistants. Ils se forment à faible pression dans les profondeurs du système racinaire volcanique et montre l'existence de structures d'ascension de magma menant vers la surface se manifestant potentiellement par des éruptions volcaniques