Reconstructing alpine massifs paleoaltimetry using stable isotopic composition of fluid inclusions in quartz veins

Reconstruire la paléoaltimétrie de massifs alpins à partir de la composition isotopique d’inclusions fluides de veines de quartz

¹ LGL-TPE UMR 5276, Université Lyon 1, ENS Lyon, 69622 Villeurbanne, France
² ISA UMR 5280, Université Lyon 1, ENS Lyon, 69622 Villeurbanne, France
³ Géosciences Montpellier, Université de Montpellier, CNRS, 34094 Montpellier, France

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Received: 28 March 2025
Accepted: 26 February 2026

Abstract

We collected quartz veins and meteoric waters at alike altitudes on the Mont Blanc and the Chenaillet massifs in the French Alps to reconstruct the paleoaltimetry of these massifs. We analyzed 17 modern meteoric waters in total; the isotopic ratios of the MBM samples show a negative correlation with sample elevation defining a linear trend varying from the low values (δ²H = −144.3‰; δ¹⁸O = −18‰) at high elevation (3759 m) to higher values (δ²H = −33.3 ‰; δ¹⁸O = −4.9‰) at lower altitudes (1200 m) comparable to the Global Meteoric Water Line. The isotopic composition of Chenaillet samples collected at elevations ranging from 2160 to 2600 meters showed lower dispersion, with δ¹⁸O values ranging from −11.8‰ to −15.9‰ and δ²H values ranging from −83 ‰ to −108.1 ‰. The quartz veins from the Mont Blanc massif (MBM) and the Chenaillet massif (CM) used in this work cements tectonic fissures formed during compressive or extensive events associated with the exhumation of the massifs.

To recover the water from quartz FIs and obtained their isotopic composition, we used two distinct extraction methods (thermal decrepitation and crushing) and two distinct analytical methods (the conventional one: equilibration/reduction and the one developed in this study combining H and O analysis). Three separate laboratories, the LGL-TPE and ISA in Lyon and the CRPG in Nancy performed the analyses. The FIs contained in the quartz of the MBM provide δ¹⁸O values ranging from −5 ‰ to −10.5 ‰ and δ2H values ranging from −33 ‰ to −76 ‰. The FIs from the CM have an isotopic composition ranging from −6.4 to −16.9% for the δ¹⁸O values and from −83 ‰ to −120.3 ‰ for the δ2H values. The results indictae that the water in the FIs is meteoric in origin. The presence of adularia associated with quartz in the MBM samples allow to date the formation of the veins between 14 and 11 Ma. Based on data from the literature, we suggest an age of 22 Ma for the formation of the veins in the CM. A comparison of the isotopic compositions of the FIs waters with modern precipitations suggests that the MBM was at low elevation (between 0 and 1156 m) during the Middle Miocene, while the CM was already uplifted at an elevation between 2250 m and 3750 m. Finally, we demonstrate that H and O analysis of aqueous fluid inclusions from quartz veins is an effective method for mountain range paleo-altimetry reconstruction.

Résumé

Nous avons collecté des eaux météoriques et des veines de quartz à des altitudes similaires sur les massifs du Mont Blanc (MBM) et du Chenaillet (CM) dans les Alpes françaises afin de reconstruire la paleoaltimétrie de ces deux massifs. Les rapports isotopiques de 17 eaux météoriques modernes échantillonnées sur le MBM montrent une corrélation négative avec l'altitude de l'échantillon et, définissent une tendance linéaire entre des valeurs basses (δ2H = −144.3 ‰; δ¹⁸O = −18 ‰) à haute altitude (3759 m) et des valeurs plus élevées (δ2H = −33,3 ‰; δ¹⁸O = −4,9 ‰) à des altitudes plus basses (1200 m) comparables à la droite des eaux météoriques. L'analyse isotopique des échantillons du CM collectés à des altitudes comprises entre 2160 et 2600 mètres révèle une dispersion moindre, avec des valeurs de δ¹⁸O entre −11,8‰ et −15,9‰ et du δ2H entre −83 ‰ à −108,1‰. Les veines de quartz du MBM et du CM analysées dans cette étude cimentent des structures tectoniques formées lors d'événements compressifs et extensifs associés à l'exhumation des massifs. Afin d’obtenir la composition isotopique de l’eau des inclusions fluides des quartzs, deux techniques d’extraction différentes (décrépitation thermique et broyage) et deux procédés analytiques distincts (méthode conventionnelle : équilibration/réduction et analyse combinée de l’H et l’O par la methode mise au point dans cette étude) ont été employés. Les analyses ont été éfféctué au LGL-TPE et à l’ISA à Lyon et au CRPG de Nancy. Les résultats révélent que l'eau des IFs est d'origine météorique. Les IFs des quartz du Mont Blanc fournissent des valeurs de δ¹⁸O allant de −5 ‰ à −10,5 ‰, et des valeurs du δ2H variant de −33 ‰ à −76 ‰. Les IFs du Chenaillet ont des valeurs du δ¹⁸O qui varient entre −6,4 et −16,9% et des valeurs de δ2H qui varient entre −83 ‰ et −120,3 ‰. Les veines de quartz du MBM ont été datées entre 14 et 11 Ma grace à la présence d’adulaire associés au quartz. Des données de la littérature nous permet de proposer un âge de 22 Ma pour la formation des fentes de quartz du CM. Les compositions isotopiques de l’eau des IFs comparées aux précipitations modernes suggèrent que le Mont Blanc était à basse altitude (entre 0 et 1156 m) au Miocène moyen, tandis que le Chenaillet était à une altitude proche de l'actuelle (entre 2250 m et 3750 m). Enfin, nous démontrons que l'analyse de la composition isotopique en H et O des inclusions fluides aqueuses de quartz provenant de fentes de tension est une méthode éfficace pour la reconstruction paleo-altimétrique des chaines de montagnes.