Abstract

Zircon rims around ilmenite occur in a wide variety of mafic plutonic rocks (Fe–Ti oxide ores, anorthosite, and gabbro) from unmetamorphosed Proterozoic intrusions in the Grenville Province of eastern Canada (Havre-Saint-Pierre, Mattawa and Saint- Urbain anorthosites, Quebec; Twin Lakes intrusive complex, Ontario) and the western U.S. (Laramie anorthosite, Wyoming). The rims range from a few μm to 100 μm across and occur along grain boundaries between Ti-based oxide minerals (mainly ilmenite and exsolved ferrian ilmenite, but also rutile) or between silicate minerals (plagioclase and biotite) and Ti-based oxide minerals. The zircon rims contain very low concentrations of P (<447 ppm), U (0.9–1.1 ppm) and Th (15–19 ppm), which, coupled with the restriction of the rims to ilmenite grain boundaries, rules out formation from high-temperature, zircon-saturated interstitial liquid and from low-temperature hydrothermal fluids. There is no textural evidence that zircon replaced pre-existing baddeleyite that may have formed by an oxidation–exsolution mechanism from ilmenite. The textural and compositional characteristics of the zircon rims are consistent with an origin by diffusion of Zr from ilmenite to grain boundaries during slow cooling and subsequent reaction with available Si from adjacent silicate minerals (or from ilmenite itself) to form zircon. A positive correlation between whole-rock TiO2 and Zr contents in samples of Fe–Ti oxide ores from Saint-Urbain and Big Island (Havre-Saint-Pierre) (up to 500 ppm in massive ilmenite ore) confirms that Zr is compatible in ilmenite crystallized from ferrobasaltic magmas. Mass-balance constraints demonstrate that the observed quantities of zircon can be derived from Zr-bearing ilmenite crystallized from basaltic magmas with typical Zr concentrations (161–252 ppm) after fractionation of Zr-free minerals (150–247 ppm). Zircon rims are not expected to occur in ilmenite-bearing basaltic lavas and high-level intrusions owing to rapid cooling, but zircon rims may be a common feature of slowly cooled plutonic rocks that crystallize from ferrobasaltic magmas. The U–Pb dating of these rims may provide additional constraints on the thermal evolution of a given plutonic rock.

Abstract

De fines couronnes de zircon sont observées autour de grains d’ilménite dans une grande variété de roches plutoniques mafiques (minéralisations en oxydes de Fe–Ti, anorthosites et gabbros) provenant d’intrusions proterozoïques non métamorphisées de la Province de Grenville de l’est du Canada (anorthosites de Havre-Saint-Pierre, de Mattawa et de Saint-Urbain, Québec; complexe intrusif de Twin Lakes, Ontario) ainsi que de l’ouest des États-Unis (anorthosite du Laramie, Wyoming). Les couronnes, trouvées au contact d’oxydes de Ti (ilménite, ilménite riche en Fe3+ et rutile) ou au contact de silicates (plagioclase et biotite) avec ces oxydes de Ti, ont une épaisseur variant de quelques μm à 100 μm. Les concentrations très faibles en P (<447 ppm), U (0.9–1.1 ppm) et Th (15–19 ppm) du zircon dans ces couronnes ainsi que la présence de ces couronnes uniquement aux pourtours des grains d’ilménite ne sont pas conformes à une origine par cristallisation à partir d’un liquide interstitiel (haute température) ou de fluides hydrothermaux (basse température). Les textures observées vont à l’encontre de la formation des couronnes du zircon par une série de réactions, par exemble la formation de baddeleyite par oxydation–exsolution de l’ilménite. Par contre, la composition et la texture du zircon en couronne suggèrent une formation par diffusion du Zr de l’ilménite (ou des autres oxydes de Ti) aux limites du grain, durant un refroidissement lent, suivi d’une réaction avec le Si disponible provenant des silicates avoisinants ou des oxydes de Ti. Les analyses de roches totales des échantillons provenant des minéralisations en oxydes de Fe–Ti de Saint-Urbain et Big Island (Havre-Saint-Pierre) montrent une corrélation positive entre le TiO2 et le Zr et confirment la compatibilité du Zr dans les oxydes de Ti. La concentration en Zr des roches massives d’oxydes de Ti peut atteindre 500 ppm. D’après nos calculs du bilan de masses, la quantité de zircon observée peut être extraite de la concentration en Zr d’une ilménite en équilibre avec un liquide basaltique typique (161–252 ppm Zr) après le fractionnement de phases minérales dépourvues de Zr (concentration en Zr de 150 à 247 ppm). On ne devrait pas trouver ces couronnes de zircon autour de l’ilménite dans des laves basaltiques ni des roches mises en place à faible profondeur, qui ont refroidi rapidement. En revanche, on peut s’attendre à les trouver dans des intrusions ferro-basaltiques qui ont refroidi lentement. Une datation U–Pb du zircon formant les couronnes représenterait un âge de refroidissement et pourrait être utile pour la détermination de l’évolution thermique d’une intrusion.

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