Pétrologie et géochimie de matériaux carbonés et des minéralisations associées en zone de subduction

Petrology and geochemistry of carbonaceous materials and associated mineralization in subduction zone

• Auteur / Autrice : Matthieu Galvez
• Direction : Karim Benzerara, Olivier Beyssac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre
• Date : Soutenance le 12/12/2011
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Modélisation et Instrumentation en Physique, Energie, Géosciences et Environnement (Orsay, Essonne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de minéralogie, de physique des matériaux et de cosmochimie (Paris ; 1997-....) - Institut de l'Ecole normale supérieure (Paris) - Ecole Normale Supérieure de Paris - Institut de minéralogie et de physique des milieux condensés
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Karim Benzerara, Olivier Beyssac, Douglas Rumble, Jean Dubessy, Bernard Bonin, Christian Chopin, Olivier Vidal, Isabelle Martinez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Douglas Rumble, Jean Dubessy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Taphonomie

Interaction eau-roche

Métamorphisme (géologie)

Carbone -- Composés

Mots clés libres

Matériaux carbonés

Métamorphisme

Interactions fluide-roche

Fossilisation

Carbonaceous materials

Metamorphism

Fluid-rock interactions

Fossilization

Résumé

Le carbone est un élément essentiel à la surface de la Terre. Il entre aussi bien dans la composition de certains minéraux (carbonates) que dans les molécules du vivant. Les roches métamorphiques contiennent également des matériaux carbonés (MC) dont l’origine peut être variée. Les MC sous forme solide (matériaux carbonés partiellement ou parfaitement graphitisés) jouent un rôle majeur dans l’évolution pétrologique et géochimique d’une roche enfouie en zone de subduction. Si notre connaissance des MC métamorphiques a largement progressée ces dernières années sur la base d’études naturalistes, expérimentales ou théoriques, il reste de nombreuses questions par exemple autour de la détermination des sources des MC dans les roches métamorphiques. Le rôle des minéralisations en tant que facteur de préservation des MC d’origine biologique (biogénique) est encore mal compris. Nous avons étudié des échantillons naturels (formation Marybank, Nouvelle Zélande) métamorphisés dans le facies schiste bleu et contenant des fossiles végétaux graphitisés et montrant une remarquable préservation morphologique. Nous dressons ainsi un inventaire des processus minéralogiques et chimiques ayant contribué à préserver, ou oblitérer, certaines informations portées par le matériau biologique originel, et plus généralement par le fossile. Pour ce faire, nous avons employé des techniques de caractérisation minéralogiques et géochimiques à haute résolution spatiale des MC fossiles et des minéraux. Nous montrons ainsi que la remarquable préservation morphologique s’accompagne d’une recristallisation avancée de la minéralogie et des MC constituant le fossile. Nous mettons aussi en évidence la présence spectaculaire de nanoparticules de TiO2 dans les MC des fossiles et nous discutons des mécanismes possibles de formation de ces minéralisations exceptionnelles.Il existe des mécanismes complexes, abiotiques, fortement liés aux interactions fluide-roche et permettant la formation de MC graphitiques dans les roches métamorphiques. Ces processus rendent complexe l’étude et l’interprétation des MC dans les roches. Toutefois, ils révèlent le rôle majeur des fluides et des assemblages minéraux dans la dynamique métamorphique du carbone. Nous avons réalisé l’étude détaillée d’un contact entre des serpentinites et des métasédiments (Malaspina, Corse Alpine) au niveau duquel les métasédiments sont décarbonatés. A cause des conditions réductrices imposées par les serpentinites sous-jacentes, le carbone inorganique ainsi libéré précipite sous forme de graphite. Nous employons des méthodes géochimiques, minéralogiques et pétrologiques complémentaires qui permettent de distinguer différentes catégories de matériaux carbonés dans ces roches, mais aussi de proposer un scénario bien contraint de formation abiotique du graphite. Cette étude permet alors de discuter du rôle des gradients redox sur la dynamique du carbone dans une roche métamorphique. L’ensemble de ces travaux sont autant d’exemples qui soulignent certains aspects encore peu explorés du rôle pétrologique fondamental des MC dans les roches métamorphiques.

Carbon is an essential element on the Earth’s surface. It is involved in the formation of certain minerals (carbonates) as well as biomolecules. Metamorphic rocks also contain carbonaceous materials (CM) with various possible origins. Solid CM (partially or completely graphitized CM) play a major role in the petrological and geochemical evolution of a subducted rock. If our knowledge of metamorphic CM increased over the last years based on naturalist, experimental or theoretical studies, many issues remain as to the source of CM in metamorphic rocks for example.The role of mineralization as a factor of preservation of CM of biological origin (biogenic) is still poorly understood. We studied natural samples (Marybank formation, New Zealand) metamorphozed in the blueschist facies and which contain carbonaceous plant fossils that display a remarkable morphological preservation at the microscopic scale. We investigate mineralogical and chemical processes that contributed to preserve, or obliterate, information carried by the original biomaterial, and, more generally, by the fossil. To do so, we have characterized the fossils and the minerals using analytical technics with high special resolution. We show that the remarkable morphological preservation is accompanied by the advanced recristallization of the mineralogy compositing the fossils. We also show the presence of spectacular TiO2 mineral nanocristals in the CM composing the fossils and we discuss about possible mechanisms leading to the formation of these exceptional mineralizations.Complex abiotic processes, intimately linked to fluid-rock interactions, allow the formation of graphitic CM in metamorphic rocks. These processes hinder the study and interpretation of CM in rocks. Nevertheless, they also reveal the major role of fluids and mineral assemblages in the metamorphic dynamics of carbon. We carried a detailed study of a contact between serpentinites and metasediments (Malaspina, Alpine Corsica) that display complete carbonate destabilization. Because of the reduced conditions imposed by the underlying serpentinite, the inorganic carbon released has precipitated and formed graphite. We use geochemical, mineralogical and petrological complementary tools that allow to distinguish different categories of CM in these rocks, and we propose a well constrained scenario for the formation for this abiotic graphite. This study allows discussing the role of redox gradients on the dynamics of carbon in a metamorphic rock.These are all examples stressing the important, and yet poorly explored, petrological role of CM in metamorphic rocks.