Transport de magma et processus d’assimilation-précipitation dans la croute océanique inférieure hétérogène : contraintes microstructurales et pétro-géochimiques de forages océaniques

Melt transport and assimilation-precipitation processes through the heterogeneous lower oceanic crust : microstructural and petro-geochemical constraints from drill cores

• Auteur / Autrice : Carlotta Ferrando
• Direction : Marguerite Godard, Benoît Ildefonse
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 06/12/2017
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Bodinier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marguerite Godard, Benoît Ildefonse, Jean-Louis Bodinier, Catherine Mével, Georges Ceuleneer, Johan Lissenberg
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Catherine Mével, Georges Ceuleneer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Minéraux

Pétrologie

Prospection géochimique

Croûte océanique

Lithosphère

Mots clés libres

Interactions magma-roche

Lithosphère océanique

Petro-Géochimique

Assimilation des minéraux

Iodp

Modeling chimique

Melt-Rock interactions

Oceanic lithosphere

Petro-Geochemical

Mineral assimilation

Iodp

Chemical modeling

Résumé

La croute océanique formée aux dorsales lentes a une composition hétérogène. Pour expliquer sa formation, il est nécessaire d’invoquer des processus d’interactions magma-roche. Afin de contraindre la contribution des processus de cristallisation et d’interaction magma-roche sur le budget géochimique et l’architecture de la croute océanique hétérogène, j’ai étudié deux séquences gabbroiques échantillonnées in situ à l’Atlantis Massif (AM, 30°N, Dorsale Médio-Atlantique, MAR) et l’Atlantis Bank (AB, 57°E, Dorsale Sud-Ouest Indienne, SWIR). J’ai effectué (i) une étude multi-échelle pétro-structurale et géochimique, combinée à une modélisation numérique, de gabbros primitifs forés à l’AM, et (ii) une étude pétrographique et géochimique de gabbros à olivines forés à l’AB. La croute océanique inférieure hétérogène échantillonnée au Site U1309 (AM) présente des troctolites riches en olivines (Ol-T). Elles se distinguent par des olivines partiellement dissoutes, relativement riches en Fo et en Ni, ainsi que par la co-précipitation de clinopyroxènes riches en Mg et de plagioclases. Ces caractéristiques suggèrent que les Ol-T sont le résultat de l’imprégnation d’un protolithe riche en olivines par un magma sous-saturé en olivine. Les profils géochimiques plats entre les minéraux adjacents suggèrent que la composition du protolithe a été modifiée par le magma entrant. Pourtant, le Ni, Li et Co montrent des compositions extrêmement variables à Mg# de l’olivine constant, ce qui suggère qu’ils préservent la signature géochimique du protolithe. La modélisation géochimique indique que ces variations sont héritées d’une hétérogénéité dans les harzburgites U1309. Les expériences en laboratoire ont démontré que la distribution de magma en milieux poreux est contrôlée par la composition modale de la roche percolée. La distribution hétérogène d’orthopyroxène dans le protolithe mantellique contrôle la quantité de magma entrant, et ainsi la quantité d’olivine dissoute, comme indiqué par les variations modales et compositionnelles observées dans les Ol-T à l’AM. La modélisation géochimique indique que la formation des Ol-T peut être expliquée par la percolation de magma et l’assimilation de 5% de protolithe mantellique. Une conséquence de ce processus de réaction est le décalage des compositions du magma à l’AM vers de cristallisation fractionnée apparentes à haute pression. Pourtant, aucune signature géochimique de haute pression n’est observée dans les MORBs à l’AM, alors qu’elles sont observées dans les MORBs d’une portion amagmatique de la SWIR (61°-67°E). La croute océanique à l’AB est faite de gabbros à olivines (75%) et de gabbros à oxides (20%), et par endroits intensément déformée. Les études préliminaires ont mis en évidence des textures indiquant l’assimilation de plagioclase par un magma d’imprégnation, ainsi que la cristallisation de clinopyroxène. Les gabbros à olivines montrent des compositions relativement évoluées. Des études précédentes des gabbros à olivines de l’AB ont montré que leur formation peut être attribuée à l’assimilation de la croute océanique par un magma saturé en clinopyroxène. Les études de l’AM et de l’AB révèlent des processus d’interactions magma-roche associés au transport de magma dans la croute océanique inférieure. Des caractéristiques texturales et géochimiques similaires ont été documentées à Kane (24°N, MAR) et dans les ophiolites Alpines-Apennines. Elles indiquent que les interactions magma-roche sont omniprésentes et contribuent à façonner la croute océanique inférieure aux dorsales lentes. L’étude de roches gabbroiques forées à Hess Deep suggèrent que les interactions magma-roche interviennent également aux dorsales rapides. Le transport réactif de magma dans la croute océanique joue un rôle majeur dans le processus de formation de la croute océanique dans son ensemble. Leur contribution dans la composition des MORBs est probablement contrôlée par la production de magma durant la remontée mantellique.

At slow-spreading mid-ocean ridges the lower oceanic crust is extremely heterogeneous, and its formation must be related to some extents of melt-rock interactions. To constrain the relative contribution of crystallization processes and melt-rock interactions on the geochemical budget and architecture of the slow-spread oceanic crust, I investigated two gabbroic sequences sampled in situ at the Atlantis Massif (AM, 30°N, Mid-Atlantic Ridge, MAR) and the Atlantis Bank (AB, 32°S, 57°E, Southwest Indian Ridge, SWIR), where gabbros are exposed by long-lived detachment faults. I performed (i) a multi-scale petro-structural, geochemical and numerical modeling study of primitive gabbroic rocks drilled at the AM, and (ii) a petrographic and geochemical study of olivine gabbros recovered at the AB. AM was drilled during IODP Expeditions 304/305. The heterogeneous lower oceanic crust recovered at Site U1309 presents discrete intervals of olivine-rich troctolites (Ol-T). They are distinguished by partially dissolved olivines with relatively high Fo (86) and Ni contents (>2000 ppm), and they are characterized by the co-precipitation of high Mg# (86-88) clinopyroxene and plagioclase. These characteristics suggest that Ol-T result from impregnation of an olivine-rich protolith by a melt undersaturated in olivine. The flat geochemical profiles across olivine and adjacent minerals suggest that the composition of the protolith was modified by this impregnating melt. Yet, Ni, Li and Co display extremely variable compositions at constant olivine Mg#, suggesting that they retain the signature of the precursor material. Modeling indicates that these chemical variations are likely inherited from the U1309D harzburgites. Experiments show that the melt distribution and paths in a porous media is controlled by the mineral modes of the host rock. The heterogeneous distribution of orthopyroxene in the precursor harzburgitic mantle locally drives the abundance of impregnating melt, leading to different extents of olivine dissolution, as evidenced by variations in mineral modes and chemistry of the AM Ol-T. Geochemical modeling indicates that the melt percolation and assimilation of about 5% of a mantle protolith can explain the formation of the Ol-T. One consequence of this reactive process in Hole U1309D is the shift of melt compositions toward apparent high pressure fractionation. However, no high pressure chemical signature is observed in MORBs from the AM, while it is recorded in MORBs from the nearly amagmatic region along the SWIR (61°-67°E). AB was drilled during IODP Expedition 360. The recovered lower oceanic crust is dominated by olivine gabbros (75%) and oxide gabbros (20%). The section is in places intensively deformed. Shipboard studies have documented textures of plagioclase assimilation by an invading melt crystallizing clinopyroxene. Compositions of olivine gabbros reach relatively evolved signature (Yb = 3-10 x C1-chondrite; MORB Yb = 19). Previous studies on olivine gabbros from AB showed that their formation can be ascribed to assimilation of an oceanic crust by clinopyroxene-saturated trace element enriched melts. The study of AM and AB reveals melt-rock interactions and mineral assimilation associated to melt transport through the accreting lower oceanic crust. Similar textural and chemical features are observed at Kane (24°N, MAR) and in ophiolite complexes (e.g., Alpine and Appennine ophiolites). These evidences indicate that melt-rock interactions are probably ubiquitous, and contribute to shaping the slow-spread lower oceanic crust. The characterization of gabbroic rocks drilled at Hess Deep suggests that melt-rock interactions may take place also at fast-spreading ridge. Melt transport and associated mineral assimilation processes likely play a major role in the building of the oceanic crust overall. Their contribution to the formation of MORB is likely controlled by melt productivity in the upwelling mantle.