Des trapps du Deccan à la Réunion : couplage de données géochimiques pétrologiques et paléomagnétiques. Conséquences géodynamiques à la limite crétacé-paléocène

par Karim Malamoud

Thèse de doctorat en Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement

Sous la direction de Alexandr Vladimirovič Sobolev.

Soutenue le 29-09-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Dominique Gasquet.

Le jury était composé de Alexandr Vladimirovič Sobolev, Frederic Fluteau, Nicholas Arndt.

Les rapporteurs étaient Mike Widdowson, Andy Saunders.


  • Résumé

    Cette thèse s'appuie sur les travaux d'Alexander V. Sobolev sur le recyclage de matériel crustal dans le manteau terrestre en lien avec les processus de mise en place des provinces magmatiques et des iles océaniques. Il s'agit d'utiliser des outils pétrologiques et géochimiques couplés à des données de paléomagnétisme haute résolution, et à de la modélisation thermomécanique dans le but de contraindre les processus profonds à l'origine des Trapps du Deccan et leurs conséquences au niveau planétaire (extinction de masse). Dans un premier temps, cette thèse propose une réinterprétation des diverses contraintes temporelles sur la durée de l'éruption des Trapps du Deccan (datations radiochronologiques, paleomagnétisme, profiles d'altérations, et données paléo-environnementales) et suggère un scénario temporel pour la mise en place de cette province magmatique, le tout principalement basé sur des données paléomagnétiques de hautes résolution de Chenet et al (2008, 2009). Ce scénario implique que la phase principale de l'éruption des Trapps du Deccan s'est produite peu de temps avant la limite Crétacé-Paléogène et qu'elle correspond à la mise en place d'environ 1.106km3 de laves en 50ka. Ces chiffres sont équivalents à 150-200 fois le taux d'éruption actuel de l'ile volcanique d'Hawaii. Ce scénario temporel a ensuite été couplé à des données géochimiques élémentaires qui ont permis de mettre en évidence 1) une origine profonde pour la grande majorité des liquides primaires et 2) d'importantes variations de l'assimilation crustale au cours du temps, notamment juste avant la limite Crétacé-Paléogène. Ces phénomènes sont compatibles avec un unique épisode d'érosion lithosphérique de la plaque indienne par les processus magmatiques dans le manteau sous-jacent. Les données relatives aux Trapps du Deccan peuvent être comparées à celles des Trapps de Sibérie et révèlent notamment que l'importante érosion lithosphérique identifiée dans celles-ci n'ait pas eu lieu dans le cas des Trapps du Deccan malgré des caractéristiques mantelliques similaires. Cette différence peut être attribuée à la plus grande épaisseur de la plaque indienne, ainsi qu'à l'existence de zones de faiblesses, liées à l'héritage tectonique du bouclier indien. Ces zones de faiblesses auraient facilité le passage des magmas à travers la plaque de manière à ce qu'une faible proportion d'entre eux seulement ait été impliquée dans les processus de délamination lithospherique. Un ensemble de données géochimiques sur olivine ainsi que de modélisation des liquides magmatiques primaires et de leur source pour les Trapps du Deccan nous ont permis de montrer 1) l'importante contribution d'une source pyroxenitique à la composition des liquide magmatiques primaires (65%), 2) que la gamme de températures potentielles de ces mêmes sources avait due être de l'ordre de 1600°C et 3) que ces dernières contenaient environ 15% de matériel crustal recyclé. Des mesures et calculs similaires appliquées aux laves de la Réunion ont, par ailleurs, montrés des résultats très différents : 50% de liquides pyroxenitiques dans les liquides magmatiques primaires, une température potentielle mantellique de l'ordre de 1500°C et une teneur des sources magmatiques en matériel crustal recyclé de l'ordre de 7%. Ces résultats sont compatibles avec le modèle de panache matellique pour la mise en place des provinces magmatiques et des iles océaniques ainsi qu'avec l'hypothèse du refroidissement séculaire de ces mêmes panaches. Nous en concluons que l'éruption des Trapps du Deccan fut un événement d'une rapidité exceptionnelle et que son implication dans la crise biologique de la fin du Crétacé fut sans doute particulièrement importante.

  • Titre traduit

    The Deccan Plume : geochemistry, petrology coupled with high-resolution paleomagnetic data - geodynamical and environmental consequences at the K-Pg boundary


  • Résumé

    This PhD aims to build on the previous work by Alexander V. Sobolev and colleagues on crustal recycling within the Earth mantle and LIPs/ocean island magmatism. The PhD focus will be to apply petrology and geochemistry coupled with high-resolution paleomagnetism, and thermo-mechanical modelling in order to constrain the deep processes behind the Deccan Traps (mantle melting and crustal recycling) as well as the consequences at the surface of the Earth (eruption rates and related degassing). Upon revisiting published time constraints on the Deccan eruptions (radiometric dating, paleomagnetism, inter-flow weathering profiles and paleoenvironmental data), we propose a new, paleomagnetism-based (Chenet et al., 2008, 2009), eruption scenario for the Main Deccan Province (Western Ghats). We suggest that the main phase of volcanic activity occurred just before and ended at the Cretaceous-Palaeogene boundary and was responsible for the emplacement of about 1.106km3 of lavas in ~50kyr. This is equivalent to 150 to 200 times present-day eruption rates in Hawaii. Coupling of the paleomagnetism-based timeframe with bulk-rock trace element concentrations revealed that Western Ghats lavas feature 1) a strong garnet signature (Heavy Rare Earth Element depletion), indicative of a deep origin and 2) significant temporal variations in the intensity of crustal assimilation undergone by the rising melts, especially just before the Cretaceous-Palaeogene boundary. We suggest that these excursions are part of a single and localized plume-induced lithospheric erosion event of the Indian lithosphere by the Deccan plume. A comparison of the Deccan Traps with the Siberian Traps exposes significant geodynamical differences. Most notably, the widespread and extensive lithospheric erosion observed in the Siberian Traps did not take place in the Deccan Traps, despite similar mantle characteristics. This difference is attributed to 1) a thicker Indian lithosphere and 2) to the existence of weaknesses in the form of pre-existing structural lineaments. These pre-existing structures facilitated the passage of deep mantle-derived magmas and thus precluded or limited their involvement in a freezing-delamination process. Olivine geochemistry and olivine-based primary melt and source modelling in Deccan Traps lavas showed 1) large contributions of pyroxenite-derived melts (65%) to the primary melts, 2) high potential temperatures of the mantle sources (~1590-1600°C) and 3) that the mantle sources of Deccan Traps magmas contained ~15% of recycled crustal material. These observations contrast with those obtained from Réunion Island lavas (50% of pyroxenite-derived melts, mantle potential temperatures of 1490-1500°C and 7% of recycled crustal material in the sources of Réunion Island magmas. Our results are compatible with the plume model for LIPs and ocean island magmatism as well as with a secular cooling of mantle plumes. We conclude, along with many authors, that the emplacement of the Deccan Traps was a remarkably swift and catastrophic event at the end of the Cretaceous and that it likely played a significant role in the end-Cretaceous mass extinction.


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