Les formations ponceuses a quartz de la région Sud de Basse-Terre (Guadeloupe) : pétrologie, géochimie, thermobarométrie et chimie des inclusions vitreuses

The quartz pumice formations of the southern part of basse terre (Guadeloupe) : petrology, geochemistry, thermobarometry and chemistry of melt inclusions

• Auteur / Autrice : Nicole Gstalter
• Direction : Directeur de thèse inconnu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre, Océan, Espace
• Date : Soutenance en 1986
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Robert Brousse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Robert Brousse, Alexander R. McBirney, Nicole Métrich, Roberto Clocchiatti, Michel Semet, Michel Treuil
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nicole Métrich, Michel Semet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Amphiboles

Volcanisme

Basse-Terre (Guadeloupe ; région)

Guadeloupe

Pyroclastites

Mots clés libres

Ponces à quartz

Mélange magmatique

Barométrie

Thermométrie

Géochimie

Pétrologie

Inclusions vitreuses

Résumé

L'étude des pyroclastites ponceuses à quartz du Sud de la Basse-Terre, Guadeloupe (Arc insulaire des Petites Antilles) a été entreprise dans le cadre de la prospection géothermique de cette région. Elle avait pour but de replacer l' (les} événement(s) volcaniques(s)ayant donné lieu aux émissions de ces ponces dans leur contexte volcanologique. La présence de phénocristaux de quartz et d'amphibole dans la paragenèse de ces pyroclastites, est l'indice de chambres magmatiques superficielles riches en composés volatils et en fait un objectif de prospection de première importance. D'autre part, leurs affleurements, bien que de faible ampleur pris individuellement, sont largement distribués dans le Sud de l’île. Les études de terrain suggéraient que ces niveaux pouvaient être contemporains et donc servir de repère stratigraphique. Ce fait se devait d’être confirmé par une étude pétrographique et géochimique détaillée. En fait, l'ensemble des produits se répartissent suivant deux lignées évolutives différentes, mises en évidence par l'étude géochimique des éléments majeurs, en traces et celle des verres intracristallins. Les caractères pétrographiques et chimiques plaident en faveur d’un processus d'évolution dominé par la cristallisation fractionnée. Les deux séries évoluent des andésites basiques aux rhyolites. Les principales phases minérales intervenant dans le processus de différenciation, tel qu'il peut être modélisé par l'étude chimique, sont celles qui sont observées en phénocristaux dans les laves : olivine, plagioclase, clinopyroxène, orthopyroxène, titanomagnétite, ilménite, quartz et amphibole. Cette dernière peut être soit absente, soit rare, soit relativement bien représentée. Les rapports Th/Ta de 7 - 11 définis pour les magnas du Sud de la Basse-Terre sont caractéristiques des zones de convergence. L'enrichissement en fer des ponces, leur faible teneur en K20 et leur sursaturation en Si02 les rapprochent des caractères des séries tholéiitiques d'arc. Les deux séries se distinguent par leurs teneurs en alcalins, et leurs concentrations en éléments hygromagmaphiles différentes dans les ''liquides les plus primaires''. Par contre dans ces derniers, les teneurs en éléments de transition sont semblables. Les caractères géochimiques de chaque série nous permettent de les rattacher à deux-ensembles volcaniques : - la chaîne de Bouillante, -l'ensemble volcanique récent, essentiellement le volcan de la Grande Découverte. Ces deux ensembles sont temporellement et géographiquement bien individualisés rendant ainsi caduque la notion de niveau repère des ponces à quartz. Les données géochimiques, permettent d'envisager deux hypothèses sur l'origine des liquides primaires de chaque série : a. Les liquides primaires sont produits à des taux variés partielle d’une homogène. Le liquide primaire de la série du Volcan de la Grande Découverte serait produit à un taux de fusion plus faible expliquant son enrichissement en éléments hygromagmaphiles. B. Les liquides primaires sont produits par la fusion partielle d'une source hétérogène. Les rubanements et autres hétérogénéités, fréquents dans les ponces, font intervenir deux types de paragenèse dont les liquides générateurs sont identifiés à partir de la composition chimique des inclusions vitreuses des phases minérales. L'étude thermique et barométrique de ces mêmes verres intracristallins précise les conditions pression-température de chaque stade de cristallisation. L'ensemble de ces résultats prouve pour chacune des deux séries la syn-éruption de magmas cogénétiques à différents stades de différenciation et suggère l'existence de deux réservoirs magmatiques mis en communication lors des éruptions : - une chambre magmatique ''profonde'' où, à partir d'un liquide andésitique basique riche en eau, cristallisent, olivine (Fo75-77), plagioclase (An84-50), augite (Wo45-40 En38-42), hypersthène (En69-64), titanomagnétite dans une gamme de ratures de 1130°C - 1000°C. Des inclusions fluides riches en H20 sont présentes dans les plagioclases basiques, indiquant qu'à ce stade de l'évolution, le magma est saturé en une phase volatile constituée principalement de vapeur d'eau. La chimie des inclusions vitreuses fixe la PH2O à 3 - 4 kbar et donc la profondeur de ce réservoir à 10 - 12 kilomètres. - une chambre magmatique superficielle où, à partir d'un liquide dacitique à rhyolitique, cristallisent, plagioclase (An50-27), hypersthène, ferrohypersthène (En50-47,5 Wo2,5), titanomagnétite, ilménite et quartz. L'amphibole peut être associée à cette paragenèse. La gamme de température est de 950°C - 810°C, sous des pressions d'eau de 2,5 - 1,8 kbar, probablement inférieures à la pression totale. Notre étude a permis de corréler pétrographiquement et géochimiquement certains niveaux de retombées ponceuses à quartz du versant caraïbe de l'île à ceux de la coulée ponceuse à quartz de Trois Rivières datée à 140. 000 ± 14. 000 ans et à un affleurement de retombées ponceuses à quartz datées à 108. 000 ± 10. 000 ans. Ces datations sont réalisées par thermoluminescence sur le quartz (Blanc, 1983). L'ensemble de ces produits est donc attribué à un épisode éruptif unique du volcan de la Grande Découverte. Les données minéralogiques, géochimiques, thermométriques en parallèle avec la proportion de rubanement présente dans les échantillons permettent de proposer une reconstitution temporelle de cet épisode. En conclusion, nous proposons un mécanisme éruptif général s'appliquant aux deux séries. Le modèle fait intervenir l'interaction entre deux réservoirs magmatiques indépendants, l'un profond (10- 12 km) et l'autre superficiel. Avant l'éruption, ce réservoir superficiel est sous-saturé en éléments volatils. L'augmentation relativement brutale du taux de dégazage du magma profond (par injection vers la surface de celui-ci ?) provoque un enrichissement en volatils du réservoir superficiel, la cristallisation de hornblende et finalement, l'ouverture de ce réservoir vers la surface. La décompression induite provoque la vidange (partielle) de ce réservoir et la syn-éruption de magmas appartenant à ces deux chambres.

The study of the quartz pumiceous pyroclastics of southern Basse-Terre (lesser Antilles island arc) has been carried out as part of a regional prospection. The purpose of the study is to place the volcanic event(s) responsible for the pumiceous emissions in his (their) volcanologic background. The quartz, sometimes associate with amphibole, paragenesis of these pyroclastics is an indication of a shallow magmatic chamber rich in volatile compounds. Therefore these pyroclastics were a geothermal prospective target of outstanding importance. The pyroclastic outcrops are individually of little extension, but they are widely scattered over the southern part of the island. Previous fieldwork suggested that these pumices were all contemporaneous and could be used as a stratigraphic marker. This hypothesis had to be confirmed by detailed petrographic and geochemical study. Actually, the study of major and trace elements geochemistry of whole rocks and major elements geochemistry of melt inclusions has allowed demonstration that the whole of the pumiceous products is shared out among two different evolutive trends. Petrographic and geochemical characteristics are consistent with a dominant crystal fractionation evolutive process for bath suites, from basic andesitic to rhyolitic compositions. The principal mineral phases involved in the differentiation process, as defined by geochemical modelling, are those really observed as phenocrysts in the lava: olivine, plagioclase, clinopyroxene, orthopyroxene, titanomagnétite, ilmenite, quartz, amphibole; this latter mineral phase can be well represented rare or even absent. The pyroclastics show a Th/Ta ratio of 7-11, which is characteristic of convergent boundaries. Their position in A-F-M diagram, the law K20 content and Si02 oversaturation closely relates them to arc tholeites. The difference between the two suits is shown by the alkaline elements concentration and by the hygromagmaphiles elements concentration in the most primitive liquids of these suites. On the other hand, these most primitive liquids have identical transition elements concentrations. Geochemical characteristics of the two suites allow us to link each one with a different volcanic unit: - the Bouillante Chain, - the recent volcanic unit, essentially the ''Grande Découverte'' volcano. These two units are separated in time and in space. That makes the hypothesis of one quartz pumice key level is unlikely. Geochemical data allowed two hypothesis with respect to the origin of the primary melts of each suite: a. Primary melts are the results of different partial melting rates of an homogeneous source; the primary melt of the Grande Découverte volcano suite would be produced by a smaller partial melting rate, which could explain its K20 and hygromagmaphilic elements enrichment. B. Primary melts are the results of partial melting of an heterogeneous source. In the pumices, ribbon structures and ether heterogeneities are frequent. They are made up of two types of paragenesis, whose parental melts can be identified by the chemical composition of the melt inclusions of phenocrysts. The thermical and barometrical study of these intracristalline melt inclusions allowed a more precise determination of the P-T conditions at each step of crystallization. The comprehensive results demonstrate, for each suite, the simultaneous eruption of two cogenetic magmas at different steps of crystallization and suggest the existence of two magmatic chambers, that communicated during eruption: a. Deep chamber where olivine, plagioclase, augite, hypersthene, titanomagnetite crystallize from an H20 such basic andesitic melt, in a 1130-1000°C range of temperature. H20-rich fluid inclusions are present in the Ca-rich plagioclase, indicating the saturation of the melt with a volatile phase, principally made up of H20 Vapor. Melt inclusions chemistry allows to fix PH2O at 3-4 kbars and then the depth of the magma chamber at 10-12 kilometers b. A shallow chamber where plagioclase, hypersthene, ferro-hypersthene, titanomagnetite, ilmenite and quartz crystallize from a dacitic to rhyolitic melt. Amphibole may be associated with this paragenesis. The range of temperature is 950-810°C with PH20 ranging from 2,5-1,8 Kbars and probably inferior to total pressure. This present work allows petrographical and geochemical correlations between some quartz pumice falls of the Caribbean side of the island and two pumiceous levels already dated by quartz thermoluminescence: the Trois Rivières quartz pumice flow (140. 000 ± 14. 000 y. B. P. ) and the Montval pumiceous fall outcrop (108. 000 ± 10. 000 y. B. P. ) (Blanc, 1983). All these pumiceous products can be assigned to an unic eruptive episode of the Grande Découverte volcano. The variations in the importance of ribbon structures and the mineralogical, geochemical and thermometrical data lead to the reconstitution of the timing of this episode. In conclusion of the study, a general eruptive mechanism is proposed for bath suites. The interaction between a deep (10-12 km) and a shallow magmatic chamber is considered. Before eruption, the shallow chamber is subsaturated with volatile elements and thermicaly zoned. The rough degassing of deep magma (probably related injection towards the surface) induces volatile elements enrichment of the shallow magma chamber, the crystallization of hornblende and then the opening of this chamber to the surface. The induced decompression gives rise to the partial emptying of this chamber and even the simultaneous eruption of magmas from bath magmatic chambers.