Caractérisation in situ des serpentines en contexte de subduction : de la nature à l'expérience

• Auteur / Autrice : Fabien Deschamps
• Direction : Stéphane Guillot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre, de l'Univers et de l'environnement
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble199.-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Subduction

Résumé

Les serpentinites (roches ultramafiques hydratées contenant environ 13 wt. % d’eau) sont particulièrement abondantes dans la lithosphère océanique formée aux dorsales lentes. En parallèle, il est acquis que les serpentinites sont aussi présentes le long du plan de subduction, et dans la partie hydratée du coin mantellique. Dans ce contexte, elles sont stables jusqu’à des profondeurs de 100 à 170 km correspondant à leur température de déstabilisation de l’ordre de 650-700°C (antigorite breakdown). De nombreux travaux ont montré que les serpentinites provenant de ces deux contextes étaient fortement enrichies en éléments mobiles dans les fluides (e. G. As, Sb, B, Li, Ba, Sr, U, Pb, Cs). L’objectif de ce travail de thèse est d’identifier la ou les phases porteuses de ces éléments dans les serpentinites et d’évaluer le comportement des éléments traces et des Terres Rares au cours de la serpentinisation. L’étude géochimique in situ des phases serpentineuses (chrysotile, lizardite et antigorite) par LA-HR-ICP-MS nous permet de montrer la non mobilité des Terres Rares au cours de la serpentinisation des olivines et des pyroxènes. Par contre, nous observons un enrichissement systématique en éléments mobiles (As, Sb, B, Li, Ba, Sr, U, Pb, Cs) dans les minéraux serpentineux. Une étude comparative entre des serpentinites abyssales subduites et exhumées provenant de l’arc des Grandes Antilles (Cuba et République Dominicaine) et des serpentinites abyssales (MARK zone) nous permet d’affirmer que les éléments mobiles incorporés dans les serpentines ne sont pas remobilisés lors du métamorphisme prograde de subduction. Ces dernières peuvent donc transférer ces éléments à des profondeurs importantes, au-delà de 150 km. A partir de l’étude des serpentinites du Tso Morari (Ladakh, Himalaya), issues de l’hydratation du coin mantellique, nous observons aussi un enrichissement en éléments mobiles (Sb, As, B, U, Pb, Cs, Li). Si le bore et l’uranium sont enrichis indépendamment du minéral primaire, Sb et As sont enrichis préférentiellement dans les olivines serpentinisées, tandis que Pb, Cs et Li sont enrichis dans les orthopyroxènes serpentinisés. Cet enrichissement différentiel traduit la déshydratation progressive des sédiments subduits et l’incorporation successive d’éléments mobiles en fonction de la température de serpentinisation de l’olivine (< 300°C) et du pyroxène (> 300°C). En parallèle, une étude expérimentale en autoclave hydrothermale (2<P<4 kbars ; 200<T<500°C) et en presse piston cylindre (P = 40 kbars ; T = 500°C) a permis de confirmer l’incorporation du Li et de Sb dans le réseau cristallin des phases serpentineuses. De plus, l’étude isotopique du Li dans les serpentines de synthèse a permis de mettre en évidence un fractionnement isotopique de cet élément en fonction de la nature de la phase serpentineuse. Le Δ7Li(solide-fluide) dans les chrysotiles est positif, tandis que les antigorites et lizardites présentent un Δ7Li(solide-fluide) négatif. Ce fractionnement isotopique traduit l’incorporation préférentielle du 7Li dans les tubes de chrysotiles et du 6Li dans les réseaux cristallins de la lizardite et de l’antigorite. Ainsi, nous confirmons par cette étude le rôle majeur des serpentinites comme vecteurs de l’eau et des éléments mobiles depuis la lithosphère océanique vers le manteau profond, et donc leur participation au recyclage de ces éléments dans les zones de subduction. Il est fortement suspecté que leur déshydratation dans ce contexte soit à même de participer à la fusion partielle du coin mantellique et permettrait alors d’expliquer les enrichissements en éléments mobiles observés dans les laves d’arc (As, U, Pb, Sb, B, Li).

Serpentinites (hydrated ultramafic rocks, 13 wt. % water) are particularly abundant in the oceanic lithosphere formed at slow-spreading ridges. Additionally, it is assumed that serpentinites are also present along the subduction plane, and in the hydrated part of mantle wedge. In this context, they are stable until depths of 100 to 170 km, corresponding to their destabilization at 650-700 °C (“antigorite breakdown”). Previous studies have shown that the serpentinites from oceanic and subduction environments could be significantly enriched in fluid-mobile elements (eg As, Sb, B, Li, Ba, Sr, U, Pb, and Cs). The aim of this Ph-D thesis is to identify the hosting phases for these elements into serpentinites, and to evaluate the behavior of trace and Rare Earth elements during serpentinization. In situ geochemical study of serpentine phase (chrysotile, lizardite and antigorite) using a LA-HR-ICP-MS allows us to demonstrate the no mobility of Rare Earths elements during serpentinization of olivine and pyroxene. Additionally, we observe a systematic enrichment in fluid-mobile elements (As, Sb, B, Li, Ba, Sr, U, Pb, and Cs) into serpentine minerals. A comparative study between subducted and exhumed abyssal serpentinites from Greater Antilles accretionary prism (Cuba and Dominican Republic) and abyssal serpentinites (MARK area) demonstrate that fluid-mobile elements incorporated into serpentines are not remobilized then during subduction prograde metamorphism. Serpentine phases can transfer these elements at great depths superior than 150 km. During the study of the Tso Morari serpentinitites (Ladakh, Himalaya), which are derived from the hydration of the mantle wedge, we observed also an enrichment in fluid-mobile elements (Sb, As, B, U, Pb, Cs, Li). Boron and uranium are enriched without relation with primary minerals whereas Sb and As are preferentially enriched in serpentinized olivines and Pb, Cs, and Li are enriched in serpentinized orthopyroxenes. This differential enrichment reflects the gradual dehydration of subducting sediments and the successive incorporation of fluid-mobile elements depending on the temperature of serpentinization of olivine (< 300°C) and pyroxene (> 300°C). Additionally, an experimental study using cold-seal hydrothermal vessels (2<P<4 kbars ; 200<T<500°C) and end-loaded piston-cylinder (P = 40 kbars ; T = 500°C) has confirmed the incorporation of Li and Sb in the crystal network of serpentine phases. Moreover, study of Li-isotopes from synthesized serpentine has shown an isotopic fractionation of this element depending on the nature of serpentine phases. The Δ7Li(solid-fluid) from chrysotile is positive, while in antigorite and lizardite, the Δ7Li(solid-fluid) is negative. This isotopic fractionation reflects the preferential incorporation of 7Li within the tubes of chrysotiles and 6Li within the crystal network of lizardites and antigorites. We confirm in this study, the role of serpentinites as a sink for water and fluid-mobile elements from the oceanic lithosphere to the deep mantle, and thus they contribute actively in the recycling of these elements in subduction zones. It is strongly suspected that their dehydration in this context ca trigger the partial melting of mantle wedge and subsequently explain the enrichment in fluid-mobile elements observed in arc lavas (As, U, Pb, Sb, B, Li).