Interaction entre le manteau supérieur serpentinisé et le magma basaltique : implication pour l'évolution basaltique et l'origine des chromitites dans la zone de transition manteau-croûte

par Nail R. Zagrtdenov

Thèse de doctorat en Géochimie

Sous la direction de Anastassia Borisova et de Michael J. Toplis.


  • Résumé

    Ce travail est consacré aux études cinétiques et thermodynamique des processus qui produisent les magmas basaltiques (basalte de dorsale océanique ou MORB et basalte de l'île océaniques ou OIB) dans la lithosphère, notamment lors de l'interaction du magma avec la lithosphère serpentinisée. Dans ce travail, nous avons testé l'hypothèse selon laquelle la genèse des chromitites de la zone de transition entre le manteau et la croute peut être la conséquence de l'interaction du magma basaltique avec le protolite du manteau serpentinisé. Une étude détaillée du corps de chromitites nodulaires dans les dunites hôtes de la région Maqsad de l'ophiolite d'Oman a été réalisée. Dans l'étude pétrologique, nous avons démontré une relation génétique étroite entre les dunites hôtes et les chromitites nodulaires et disséminées lors de la cristallisation sans équilibre des cristaux de chromite à partir de l'étude des inclusions piégées dans la chromite. Les expériences d'équilibre sur la saturation des liquides basaltiques et haplobasaltiques en chromite et en magnesiochromite comme la fonction de la fugacité d'oxygène (de ΔFMQ (-2) à ΔFMQ (+2)) ont été effectuées à une température constante de 1450 ° C et une pression de 0,1 MPa. Pour la première fois, les concentrations de chrome dans les liquides basaltiques saturés en magnesiochromite ont été mesurées. Les teneurs en Cr lors de la saturation en magnesiochromitre est de ~ 6800 ppm à ΔFMQ (-2), ~ 4500 ppm à ΔFMQ et 3500 ppm à ΔFMQ (+2), qui sont plus élevés par rapport à ceux (~ 6300 ppm à ΔFMQ (-2), 2900 ppm à ΔFMQ et 2000 ppm à ΔFMQ (+2)) de saturation en chromite (système contenant du Fe). Ce fait a une implication importante pour l'assimilation du manteau serpentinisé par des magmas basaltiques. Sur la base de toutes les données disponibles sur la saturation des liquides mafiques et ultramafiques en chromite, nous avons créé un nouveau modèle prévisible de solubilité de chromite et magnéstochromite dans les liquides en fonction de la température, de la fugacité d'oxygène et de la basicité optique du liquide : [X liq Cr tot]/[X Chr Cr2O3] = exp(a+b*lambda+c/T)*(1+fO2^(-0.25)*exp(d+k/T+g*lambda)), où [X liq Cr tot] est la fraction molaire du chrome dans le liquide silicaté, [X Chr Cr2O3] est la fraction molaire de l'oxyde de chrome dans le chromite, T est la température en Kelvins et fO2 est la fugacité de l'oxygène (en bars), lambda est la basicité optique du liquide, a (-7.01), b (13.72 ), c (-12404.92), d (24.46), k (24394.65), g (-23.59) sont des constantes. Des expériences cinétiques sur l'interaction serpentinite-basalte ont été effectuées à des températures entre 1200 et 1300 C et la pression de 0,2 à 1,0 GPa. Les données impliquent que la réaction est contrôlée par un mécanisme à plusieurs étapes: (i) une transformation métamorphique prograde de la serpentinite en harzdurgite (Fo92-95 mol. %) à spinelles riches en Cr (ii) la dissolution progressive de l'assemblage de harzburgite avec la formation des liquides basaltique à andésitique et (iii) l'assimilation finale de l'association de harzburgite par le basalte avec la formation du liquide basique hydraté appauvri ('depleted' et enrichi en Mg, Cr) à 0,5 - 1,0 GPa (51% pds de SiO2, 12 à 13% pds de MgO).

  • Titre traduit

    Interaction between serpentinized mantle and basaltic magma : implication for basaltic evolution and chromitite origin in the mantle-crust transition zone


  • Résumé

    This work is devoted to kinetic and thermodynamic investigation of processes happening during basaltic (mid-ocean ridge basalt, MORB and ocean island basalt, OIB) magma genesis and evolution in the lithosphere, in particular, during the magma interaction with the serpentinized lithosphere. In this work, we tested hypothesis that the chromitite genesis at the Moho transition zone may be consequence of interaction of basaltic magma with serpentinized mantle protolith. Detailed field investigation of the nodular chromitites ore body in the host dunite at Maqsad area of the Oman ophiolite has been performed. In the petrologic investigation, we have demonstrated close genetic relationship between the host dunites and the nodular and disseminated chromitites during non-equilibrium crystallization of chromites based on investigation of chromite-hosted inclusions. Equilibrium experiments on chromite and magnesiochromite saturation in basaltic and haplobasaltic melts as function of oxygen fugacity (from ΔFMQ(-2) to ΔFMQ(+2)) were performed at a constant temperature of 1450 C and pressure of 0.1 MPa. For the first time, chromium concentrations in basaltic melts at magnesiochromite saturation were determined. The Cr contents at magnesiochromitre saturation are from ~6800 ppm at FMQ(-2), ~4500 ppm at FMQ and 3500 ppm at ΔFMQ(+2), that are higher compared to those (~ 6300 ppm at ΔFMQ(-2), 2900 ppm at ΔFMQ and 2000 ppm at ΔFMQ(+2)) of chromite saturation in Fe-bearing system. This fact has an important implication for serpentinized mantle assimilation by basaltic magmas. Based on all available data on chromite saturation in mafic and ultramafic melts, we created a new predictable model of chromite and magnesiochromite solubility depending on temperature, oxygen fugacity and the melt optical basicity: [X liq Cr tot]/[X Chr Cr2O3] = exp(a+b*lambda+c/T)*(1+fO2^(-0.25)*exp(d+k/T+g*lambda)), where [X liq Cr tot] is molar fraction of chromium in the silicate liquid, [X Chr Cr2O3] is molar fraction of the chromium oxide in the chromite, T is temperature in Kelvins and fO2 is oxygen fugacity (in bars), lambda is optical basicity, a (-7.01), b (13.72), c (-12404.92), d (24.46), k (24394.65), g (-23.59) are constants. Kinetic experiments on serpentinite-basalt interaction have been performed at temperatures of 1200 - 1300 C and pressure range from 0.2 to 1.0 GPa. The data imply that the reaction is controlled by multi-stage mechanism: (i) prograde metamorphic transformation of serpentinite to Cr-rich spinel-bearing harzdurgite (Fo92-95 mol.%) (ii) progressive dissolution of harzburgite assemblage with formation of hydrous basaltic to andesite melts and (iii) the final assimilation of the harzburgite association by basalt with formation of hydrous depleted basaltic melts at 0.5 - 1.0 GPa (51 wt% of SiO2, 12 - 13 wt.% of MgO contents). We experimentally demonstrate that serpentinite assimilation by basaltic melt at 0.5 - 1.0 GPa happening at average rate of 4.3 × 10-10 m2/s at 1300°C is controlled by silica diffusion in hydrous basaltic melt. Our experimental work provides incontestable evidence that depleted MORB melts, depleted high-Mg-Cr cumulates, and oceanic andesites can be routinely produced from "normal" mid-ocean ridge melts by chemical reaction with serpentinized lithospheric mantle. Our study prevents routine interpretation of depleted and primitive oceanic melts (MORB and OIB) as uniquely derived from a deep mantle. The data obtained in this work confirm that serpentinites, which may have been important constituents of the Hadean crust as a whole were possibly involved in the generation of the first continental crust.

Autre version

Cette thèse a donné lieu à une publication en 2017 par Université Paul Sabatier [diffusion/distribution] à Toulouse

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Informations

  • Sous le titre : Interaction entre le manteau supérieur serpentinisé et le magma basaltique : implication pour l'évolution basaltique et l'origine des chromitites dans la zone de transition manteau-croûte
  • Détails : 1 vol. (221 p.)
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