Melting a heterogeneous Earth's mantle under an extreme thermal gradient

par Léna Verhoest

Thèse de doctorat en Géosciences marines

Sous la direction de Christophe Hémond et de Daniele Brunelli.

Soutenue le 04-11-2022

à Brest en cotutelle avec l'Università degli studi di Modena e Reggio Emilia , dans le cadre de École doctorale Sciences de la mer et du littoral (Plouzané) , en partenariat avec Laboratoire Géo-Océan (Plouzané, Finistère) (laboratoire) .

Le président du jury était Andrea Marzoli.

Le jury était composé de Christophe Hémond, Daniele Brunelli, Andrea Marzoli, Janne Koornneef, Delphine Bosch.

Les rapporteurs étaient Andrea Marzoli, Janne Koornneef.

mots clés

• Hétérogénéité du manteau
• Point froid
• Dorsale médio-océanique
• Basalte alcalin
• Géochimie du manteau
• Terre -- Manteau
• Pétrologie
• Géochimie

Titre traduit

Fusion d'un manteau terrestre hétérogène sous un gradient thermique extrême

Résumé

La structure du manteau terrestre d'un point de vue lithologique et géochimique est un problème fondamental. Bien que l'hétérogénéité du manteau terrestre varie à l’échelle du km, la composition des basaltes de dorsales (MORBs) est généralement relativement homogène. Ce paradoxe apparent est dû au degré élevé de fusion partielle du manteau, qui moyenne la contribution relative des différentes lithologies sources du magma, masquant leur signature chimique primaire. L'étude d'une région présentant un gradient thermique mantellique élevé permet de distinguer la contribution des différents composants lithologiques du manteau. Les compositions en éléments majeurs, traces et les rapports isotopiques (Sr, Pb, Nd et Hf) de MORBs échantillonnés le long d’un tel gradient ont été étudiées. Ces basaltes ont une composition variant de N-MORB à fortement enrichis, et des teneurs inhabituellement élevées en alcalins. Leur composition est étroitement liée à la température locale du manteau, avec des compositions fortement hétérogènes dans la zone axiale froide, et des compositions homogènes dans la région plus chaude. La variabilité isotopique mesurée peut être expliquée par un mélange d’au moins trois composants différents, en plus du manteau appauvri : (1) une signature ultra-appauvrie, témoin d’un évènement de fusion partielle très ancien (Ga); (2) une signature de type HIMU, liée au recyclage d'une croûte océanique très ancienne; (3) une signature dérivée de matériel continental. Cela met en évidence des processus mantelliques anciens et profonds.Un groupe d'échantillons présente des anomalies positives marquées en Eu et Sr. Ces MORBs résultent de la fusion partielle d’un manteau imprégné peu profond pendant le déplacement de l'axe de la dorsale au sein d’une surface corruguée.

mots clés

• Mantle heterogeneity
• Cold spot
• Mid-ocean ridge
• Alkaline basalt
• Mantle geochemistry

Résumé

The structure of the Earth's mantle from a lithological and geochemical point of viewis a fundamental problem. Although the heterogeneity of the mantle varies on a kmscale, the composition of Mid-Ocean Ridge Basalts (MORBs) is usually relatively homogeneous. This apparent paradox is due to the high degree of partial melting of the mantle, which averages the relative contributions of the different magma source lithologies, hiding their primary chemical signature. The study of a region with a high mantle thermal gradient reveals the contribution of the different lithological components of the mantle. Thus, we studied the major and trace elements compositions and the isotopic ratios (Sr, Pb, Nd and Hf) of MORBs sampled along such a gradient. These basalts vary in composition fromN-MORB to highly enriched and have unusually high alkali contents. Their composition isclosely related to the local temperature of the mantle, with highly heterogeneous compositions in the cold axial zone, and homogeneous compositions in the warmer region. The measured isotopic variability can be explained by a mixture of at least three different components in addition to the depleted mantle: (1) an ultra-depleted signature, indicative of a very old partial melting event (Ga); (2) a HIMU-type signature, related to the recycling of a very old oceanic crust; (3) a signature derived from continental material. These isotopics signatures highlights ancient and deep mantle processes. A group of samples shows marked positive Eu and Sr anomalies, which are interpreted as resulting from partial melting of a shallow impregnated mantle during ridge axis displacement within an Oceanic Core Complex.