Mélange de magmas à HP-HT : contraintes expérimentales et application au magmatisme d'arc

Magma mixing at HP-HT : experimental constraints and application to arc magmatism

• Auteur / Autrice : Mickaël Laumonier
• Direction : Laurent Arbaret, Bruno Scaillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l’atmosphère
• Date : Soutenance le 03/05/2013
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences de la Terre d'Orléans
• Jury : Président / Présidente : Michel Faure
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Arbaret, Bruno Scaillet, Michel Faure, Didier Laporte, Georges Ceuleneer

Mots clés

Mots clés contrôlés

Rhéologie

Roches -- Déformation

Mélanges (pétrologie)

Roches volcaniques

Mots clés libres

Magma

Mélange

Déformation

Viscosité

Texture

Enclave

Volatils

Bulle

Réservoir

Magma

Mixing

Deformation

Viscosity

Textures

Enclave

Volatiles

Bubble

Reservoir

Résumé

Trois magmas (haplotonalite synthétique, basalte et dacite de Santorin) ont été juxtaposés et déformés à l’aide d’une presse de type Paterson pour contraindre les conditions de mélange de magmas à haute pression (300 MPa). Ces trois magmas ont été utilisés en conditions sèches ou hydratées et dans une gamme de température comprise entre 600 et 1200°C, permettant d’obtenir plusieurs fractions cristallines et contrastes de viscosité. Les textures de mélange produites lors des expériences dépendent de la fraction cristalline et sont similaires aux textures rencontrées dans la nature. Les textures de mélange mécanique (mingling) produites sont la ségrégation de cristaux depuis leur magma source, la formation d’enclaves par détachement et de filaments par étirement de parcelles de magma. Le mélange chimique (mixing) est illustré par des zones d’interactions comportant une large variété de liquides intermédiaires et la cristallisation de nouvelles phases. Le mélange est produit en l’absence d’une charpente cristalline dans l’un ou l’autre des magmas, si le contraste de viscosité est faible (< 0,3 unité log) et en dessous d’un seuil de viscosité absolue, déterminé entre 107 et 108 Pa.s. Par ailleurs, l’eau joue un rôle important sur les propriétés rhéologiques des magmas, et donc sur leurs capacités de mélanges : elle abaisse le seuil de mélange de près de 200°C entre des magmas saturés en eau, et son exsolution (présence de bulles) entraîne une réduction significative des viscosités promouvant le mélange à des fractions cristallines plus faibles. Les conditions rhéologiques favorables aux mélanges entre le magma d’un réservoir et un magma plus chaud qui le recharge ont été déterminées selon la fraction de magma injecté. Cette fraction est de 0,5 minimum pour la majorité des réservoirs typiques du contexte d’arc. La comparaison avec des systèmes plutoniques et volcaniques exposant des figures de mélange montre que les conditions favorables aux mélanges sont atteintes avec des fractions inférieures. Ceci suggère que le fonctionnement d’un réservoir magmatique est influencé par ses styles et taux de recharge, ainsi que la quantité de volatils.

Three magmas (a synthetic haplotonalite, a basalt and a dacite from Santorini Volcano) have been deformed together at P=300 MPa in a Paterson type apparatus to constrain the mixing capacities between chemically contrasted magmas. Both dry and hydrous conditions were investigated at temperatures varying between 600 and 1200°C to vary magma crystallinity and visc osity contrasts. Mingling and mixing features were produced, which closely resemble those encountered in nature. Mingling features are xenocrysts, enclaves, and melt filaments. Diverse intermediate liquids and newly grown crystals characterize the mixing textures. Both mixing and mingling features were produced after crystal network breakage, at low viscosity contrasts (less than 0.3 log unit) and bulk viscosities lower than 107 – 108 Pa.s. The presence of water considerably affects the rheological properties of magmas and their mixing capacities: water-saturated magmas are able to mix at temperatures 200°C colder than their dry equivalent, and bubbles may influence the viscosity contrast leading to mixing at lower crystal fractions. Rheological conditions favourable to magma mixing between the resident magma in the reservoir and a hot replenishing one were determined according to the injected mafic magma fraction. The minimum fraction of mafic magma for mixing is 0.5 for typical arc magma chambers. The comparison with plutonic and volcanic rocks displaying mixing features shows that mixing may, however, occur at lower fractions. This suggests that reservoir dynamism may depend on the style and the frequency of the injection rate, and the amount of volatiles.