Processus magmatiques à différentes échelles dans la croûte océanique inférieure de l'ophiolite de Samail (Sultanat d'Oman)

Magmatic Processes at Various Scales in the Lower Oceanic Crust of the Samail Ophiolite (Sultanate of Oman)

• Auteur / Autrice : Dominik Mock
• Direction : Benoît Ildefonse, Jürgen Koepke
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'Eau
• Date : Soutenance le 07/12/2021
• Etablissement(s) : Montpellier en cotutelle avec Universität Hannover
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Jutta Winsemann
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Ildefonse, Jürgen Koepke, Jutta Winsemann, Ambre Luguet, Mike Cheadle, Marguerite Godard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Ambre Luguet, Mike Cheadle

Mots clés

Mots clés contrôlés

Roches ignées

Terre -- Manteau

Ophiolites

Oman

Géologie

Mots clés libres

Samail ophiolite

Croûte océanique inférieure

Dorsales médio-Océanique de propagation rapide

Déformation magmatique

Litage ignée

Accrétion de la croûte

Samail ophiolite

Lower oceanic crust

Fast-Spreading mid-Ocean ridges

Magmatic deformation

Formation of igneous layering

Crustal accretion

Résumé

La croûte océanique couvre plus des deux tiers de la surface de la Terre et se forme au niveau des dorsales médio-océaniques. Les processus magmatiques qui s’y déroulent restent encore un mystère, mais une connaissance détaillée de ces processus est essentielle pour comprendre la formation de la croûte océanique inférieure et son rôle dans le système Terre. Le «gabbro glacier model» explique l'accrétion crustale par la subsidence d'une bouillie cristalline associée à un cumulat provenant de la lentille de fusion axiale (LFA) et le «sheeted sill model» suggère que l’accrétion crustale résulte de la cristallisation in-situ du magma sous forme des sills au sein de la croûte inférieure. L‘ophiolite de Samail (Oman) est considérée comme une ancienne lithosphère océanique formée sur une dorsale à propagation rapide. Le Wadi Gideah, présentant une stratigraphie cohérente d’une croute océanique ancienne, constitue un laboratoire idéal pour cette étude. Un profil traversant toute la section gabbroïque, de la LFA jusqu'à la transition croûte/manteau dans le Wadi Gideah, a été analysé en mettant l'accent sur les caractéristiques microstructurales. Les variations en termes de taille de grain, d’intensité de la déformation (fabrique) et de symétrie avec la profondeur ont été interprétées comme indicateurs d'un modèle d'accrétion hybride. Marqué par une foliation sub-verticale et une importante linéation, le tier supérieur de la croûte gabbroïque s’accrète par écoulement magmatique vertical. La linéation marquée dans le premier tier disparait à 3500 mètres au-dessus du manteau (maM). Les deux tiers inférieurs cristallisent in-situ et l’intensification progressive de la déformation sous l’horizon 3500 maM indique que la bouillie cristalline préexistant subit une déformation magmatique par le manteau convectif sous-jacent. Deux carottes de forage d'environ 400 m de long ont été obtenues dans la croûte inférieure du Wadi Gideah: GT1A de 1173 à 815 maM et GT2A des gabbros foliés aux gabbros lités de 2695 à 2300 maM. GT1A a été échantillonné avec une haute résolution spatiale d'environ 2 m et étudié à l’aide d’outils pétrologiques, géochimiques et microstructuraux. Des indicateurs de cristallisation fractionnée et d'évolution du magma en profondeur ont été documentés, indiquant que les gabbros lités résultent d’une cristallisation in-situ tel que proposé à partir du profil de surface. L’évolution de la composition des phases et de l’intensité et la symétrie de la déformation est similaire dans les deux carottes ce qui pourraient résulter de changements dans les propriétés physiques (la viscosité) d'un magma avec son évolution chimique, affectant ainsi également les mécanismes de déformation. La zonation locale cœur/bordure dans le clinopyroxène et une linéation croissante des cristaux indiquent un écoulement du magma dans un milieu poreux au niveau d’un horizon étroit de GT1A. Le litage igné est une caractéristique omniprésente de la croûte océanique inférieure au niveau des dorsales à propagation rapide. Deux types ont été étudiés: le litage modal progressive à l'échelle décimétrique du Wadi Somerah et le litage modal prononcé par des bandes enrichies en olivine du Wadi Wariyah. La formation du premier est expliquée par des courants de densité chargés de cristaux s'effondrant de la paroi inclinée d'un sill conduisant à une ségrégation de phase par densité. Le second est plus cohérent avec «Liesegang banding», où la diffusion des éléments depuis le magma vers un front de cristallisation ne suivre pas la vitesse de refroidissement du magma. Ces éléments sont ainsi sursaturés à une certaine distance du front de cristallisation conduisant à la formation d'une nouvelle bande cristalline. La croissance préférentielle des gros grains au détriment des plus petits et le cisaillement de la croûte inférieure par convection du manteau pourraient accentuer les hétérogénéités présentes initialement pour arriver à un litage modal bien développé.

Oceanic crust covers more than two thirds of the Earth’s surface and forms at mid-ocean ridges which are still widely mysterious. A detailed knowledge on the processes taking place beneath them is essential to understand the formation of lower oceanic crust and its role in the System Earth. The gabbro glacier model explains crustal accretion from a subsiding crystal mush of the cumulates from the axial melt lens whereas the sheeted sill model suggests that the lower crust is accreted by in-situ crystallizing melt sills within the lower crust. The Samail ophiolite (Oman) is regarded as ancient oceanic lithosphere formed at a fast-spreading ridge. With its coherent crustal stratigraphy, Wadi Gideah in the Samail ophiolite provides an ideal field laboratory for investigating ancient oceanic crust.A profile crossing the entire gabbroic section from the axial melt lens at 5000 m above the base of the Moho transition zone (maM) down to the crust/mantle transition in Wadi Gideah was analyzed with a focus on the microstructural features of the lower crust. The variations in grain size and in fabric strength and symmetry with depth were interpreted as indicators for a hybrid accretion model, where the upper third of the gabbroic crust accretes by vertical magmatic flow either from the axial melt lens down- or from the underlying crystal mush upward and the lower two thirds of the crust crystallized in-situ. Vertical flow is indicated by steep foliations observed in the field and accompanied by a significant lineation component that disappears at 3500 maM. Beneath this horizon, the fabric strength and the degree of lineation gradually increase down section indicating magmatic deformation of previously emplaced crystal mush by the underlying convecting mantle.Two approximately 400 m long drill cores were obtained in the lower crust of Wadi Gideah: GT1A covering an interval from 1173 down to 815 maM and GT2A covering the transition from the foliated to the layered gabbros at 2695 down to 2300 maM. GT1A was sampled with a high spatial resolution of about 2 m on average (16 m maximum) and petrological, geochemical, and microstructural tools were applied for detailed investigations. Indicators of fractional crystallization and melt evolution at depth were documented, indicating that in-situ crystallization has formed the layered gabbro section as proposed from the surface profile. Parallel variations in the phase compositions and their fabric symmetry were observed in both drill cores which could result from changes in physical properties (e.g., viscosity) of a melt with chemical evolution, thereby, also affecting deformation mechanisms. Local core/rim zonation in clinopyroxene and an increased lineation of plagioclase and clinopyroxene crystals indicate porous melt flow in a narrow horizon of drill core GT1A.Igneous layering is a ubiquitous feature of the lower oceanic crust at fast-spreading mid-ocean ridges and two types were investigated: decimeter scale gradual modal layering from Wadi Somerah and modal layering pronounced by millimeter scale bands being enriched in olivine from Wadi Wariyah. The formation of the former can be explained by crystal-laden density currents slumping from the inclined wall of a melt sill leading to density-controlled phase segregation. The latter is most consistent with the formation by Liesegang banding where the diffusion of elements from the melt toward a crystallization front is not able to keep pace with the cooling of the magma, thus, these elements are supersaturated at a certain distance from the crystallization front leading to the formation of a new crystal band. The preferred growth of larger grains on the expense of smaller ones and shearing of the lower crust by mantle convection might emphasize initial heterogeneities to well-developed modal layering.