Comportement de l'Hydrogène lors des processus mantelliques

par Carole Denis

Thèse de doctorat en Géosciences

Sous la direction de Olivier Alard et de Sylvie Demouchy.


  • Résumé

    Ces travaux de thèse apportent de nouvelles contraintes sur la concentration et le comportement de l’H dans le manteau lithosphérique et reposent sur l’étude pétro-géochimique de trois séries de xénolites de péridotites à spinelle, associant les concentrations en élément majeurs et en traces y compris l’H dans les minéraux dits anhydres (les NAMs, ici, olivine, pyroxènes) et hydratés (amphibole). Les effets de la remontée des xénolites dans du magma hôte sur les concentrations en H des NAMs ont pu être étudiés sur une série de xénolites de péridotite du champ volcanique d’Eifel (Allemagne). Une variation intra cristalline de concentration en H peut être identifiée dans l’olivine et non dans les pyroxènes coexistant. Ces profils de concentration en H peuvent être utilisés pour estimer des vitesses de remontées des magmas. Dans le cas des volcans étudiés, ces vitesses sont estimées entre 3.5 et 12 m.s-1. Ces résultats suggèrent que les pyroxènes sont de meilleurs proxy que l’olivine pour quantifier la concentration mantellique de l’H. Les xénolites de Ray Pic (Massif Central, France) ont permis de discuter dans un contexte de point chaud, l’effet de la fusion partielle et du métasomatisme à grande échelle sur les concentrations en H des NAMs. Les concentrations en H des minéraux ne suggèrent pas de lien avec le métasomatisme subit, qu’il soit modal, cryptique, à rapport liquide/roche élevé ou faible. Cependant, en comparant les concentrations en H avec un marqueur de la fusion partielle (Yb du cpx), l’H semble avoir un comportement similaire à une MREE (e.g., Sm ; D(cpx/liquide)~0.29). Enfin, des xénolites composites associant une péridotite accolée à un agent métasomatique ont permis de cibler l’influence du métasomatisme de petite échelle (pluri-centimétrique). L’interaction magma roche identifiée sur une harzburgite en contact avec du basalte montre dans les cas des olivines, des variations chimiques couplé entre éléments majeurs en fonction de leur proximité au filon et les concentrations en H. Plus l’olivine se rééquilibre avec le liquide moins elle contient d’H. Parallèlement dans cette étude, trois échantillons présentent une lherzolite en contact avec une pyroxénite avec 14% d’amphibole, une clinopyroxénite avec 40 % d’amphibole et une amphibolite (98% d’amphibole). Cette contiguïté avec un filon métasomatique permet l’étude du comportement de l’H en contexte de percolation en bordure de filon. Chaque échantillon présente des concentrations en H homogènes pour chacune des phases minérales. Cependant plus les filons contiennent d’amphibole moins il y a d’H dans les NAMs. D’autre part, une nouvelle fois, la corrélation positive entre les concentrations en H des NAMs et le Sm(cpx) en tant que marqueur de métasomatisme suggère que l’H se comporte comme une MREE.En conclusion, les minéraux des spl-harzburgites contiennent en moyenne un peu plus d’H que ceux des spl-lherzolites. Les concentrations en H des olivines sont sensibles à la dévolatilisation lors de la remontée dans le système magmatique et le rééquilibrage avec le magma. Au contraire, les concentrations en H des pyroxènes, spécialement l’opx, sont très homogènes suggérant des concentrations mantelliques. Le comportement de l’H lors de la fusion partielle et du métasomatisme reste complexe ; nos données suggèrent que l’H suit les MREE tel que le Sm.

  • Titre traduit

    Behavior of Hydrogen during mantle processes


  • Résumé

    This thesis provides new constrains on H concentrations and H behaviour in the lithospheric mantle and is based on a petro-geochemical study on 3 spinel-peridotite xenoliths series with major and traces elements analyses, including H in nominally anhydrous minerals (NAMs, olivine and pyroxenes) as well as hydrous minerals (amphibole).Ascent effects through a magmatic system on H concentration of NAMs are studied for a xenoliths series from the Eifel volcanic field (Germany). Intracrystalline variation in H concentration are observe in olivine but not in the coexisting pyroxenes. Such H concentration profiles are used to calculate the rate of magma ascent. For the studied volcanoes, the calculated rate of magma ascent is between 3.5 and 12 m.s-1. Such H concentration variations imply a devolatilisation affecting only olivine, whereas the pyroxenes are homogeneous and then can be used as a better proxy for mantle H concentrations.Ray Pic xenoliths (French Massif Central) belongs to a mantle plume setting, implying the possibility to assess the effect of partial melting and large scale metasomatism on H concentration of NAMs. The H concentrations determined do not suggest a strong link with the suffered metasomatism whether modal, cryptic, at low or high melt rock ratio. However, using H concentrations and a marker of the partial melting (Yb in cpx), H seems to behave as a MREE (e.g., Sm, D(cpx/melt) ~ 0.29).Finally, the composite xenoliths with a peridotite adjacent to a metasomatic agent allow to target the influence of small scale metasomatism (pluri-centimetric). A magma-rock interaction between a harzburgite and a basaltic patch shows that, for olivines, chemical variations in major element as a function of olivine proximity to the vein, is coupled to H concentrations of NAMs. More the olivines are close to equilibrium with the basalt, more the H concentrations are low. Alongside in this study, three samples consist of a lherzolite adjacent a pyroxenite (14% amphibole), to a clinopyroxenite (40% amphibole) and to an amphibolite (98% amphibole) respectively. This special relationship with a metasomatic vein allows to study the behaviour of H during wall rock percolation. Each sample display homogeneous H concentration within each NAMs. However, H concentration is inversely correlated to modal content in amphiboles in the peridotite. Furthermore, a positive correlation between H in NAMs and Sm(cpx) here as a marker of metasomatism suggests, again, that H behaves as a MREE.To conclude, minerals from harzburgite contain in average a bit more H than the one in lherzolite. The H concentration in olivine are sensitive to degassing during magma ascent toward the surface and reequilibrium with magma. On the contrary, H concentration in pyroxenes, especially opx, are very homogeneous suggesting mantle concentration. The behaviour of H during partial melting and metasomatism is complex. However, our data suggest that H broadly follows MREE.


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