Comportement du fer et d'autres ions échangeurs d'électrons en contexte de subduction

Behavior of iron, and other ions capable for electron exchange in subduction settings

• Auteur / Autrice : Margarita Merkulova
• Direction : Manuel Muñoz, Olivier Vidal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre solide
• Date : Soutenance le 10/10/2016
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Alexandr Vladimirovič Sobolev
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : José Alberto Padrón-Navarta
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joerg Hermann, Gleb Pokrovski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Serpentinite

Séismes

Subduction

Fer

Mots clés libres

Fer

Subduction

Serpentinite

Iron

Subduction

Redox

Serpentine

Résumé

Les zones de subduction sont les plus grands systèmes de recyclage de notre planète. Elles permettent le recyclage de l'eau contenue dans la croûte océanique hydratée et de la lithosphère du manteau supérieur. L'eau joue un rôle clé dans de nombreux processus associés aux zones de subduction, comme la tectonique des plaques, la production de magma, le transport élémentaire et la génération de tremblement de terre. La composition chimique, le contenu H2O de la lithosphère océanique, l'âge et la géométrie de la plaque océanique sont les principaux facteurs contrôlant les processus de subduction, y compris la déshydratation.L'objectif principal de cette thèse est d'étudier le régime de la libération de l'eau depuis la plaque océanique subductante et le comportement du Fe et du S en contenus dans les serpentinites, qui représentent la principale lithologie de roche hydratées océaniques. L'approche expérimentale de ce travail permet d’étudier les changements chimiques et minéralogiques associés lors la déshydratation des serpentinites de différentes compositions. Un certain nombre de techniques d'analyse ont été utilisées pour étudier l’influence de la composition de la roche totale sur la composition des assemblages produits. Les intervalles de pression de température expérimentalement étudiés, à savoir 2 GPa et 450-900C, représentent des zones de subduction chaudes. L'extrapolation à d'autres gradients géothermiques communs a été faite par thermodynamique. Les compositions de serpentinite étudiées correspondent aux péridotites serpentinisées naturelles décrites pour la lithosphère océanique.Mon travail indique que la teneur en Fer contrôle a stabilité thermique d’antigorite. Déshydratation de serpentinites avec Fe, par conséquent, pasee à des températures plus basses par rapport aux assemblages Fe-libres. La déshydratation observée dans les systèmes sans Fer se fait le long d'une réaction univariante, alors que dans les systèmes contenant du Fer, la déshydratation se fait sur un domaine de température (réactions de déshydratation divariantes). De plus, la présence de Al dans serpentinite stabilise clinochlore, qui conserve 15% de l'eau initiale jusqu'à ~ 120 km (820°C/2 GPa) dans subduction chaud. Cette dépendance sur Fe et Al apporte importance de considérer non seulement la géométrie et l'âge de la plaque océanique, mais aussi une composition de lithologies lors de la modélisation et d’interprétation de subduction. Une comparaison entre la profondeur des séismes et la profondeur de déshydratation des serpentinites indique une possible contribution de la libération de l'eau à la sismicité dans les zones de subduction chaudes et à pente faible.La spectroscopie d'absorption des rayons X montre une réduction progressive de Fe et de S dans des serpentinites. Le rapport Fe3+/ Fetotal, de la roche totale, élevé dans la serpentinite, diminue dans les assemblages anhydres de haute température par décomposition de la magnétite (< 550°C) et de l’antigorite (700°C). La pyrite des serpentinites se transforme en pyrrhotite en-dessous de 450°C et induit une libération de ¼ de soufre initial, probablement sous forme de H2S. La magnétite et la pyrite présentes dans des serpentinites, sont des phases cruciales pour la production de fluides très oxydés et d’espèces volatiles soufrées qui peuvent être transportés depuis la plaque subductée vers le coin mantellique. Application des résultats montre que les fluides s’élevant de la plaque océanique sont responsables de l'oxydation du manteau; et décomposition de la magnétite et l’antigorite avec au moins 100°C différence peut provoquer une libération de fluides chimiquement différents à peu profond (basse-T) et profondes (T-élevé) parties de subduction.

Subduction zones are the largest recycling systems of our planet. Subduction zones involve recycling of water from hydrated oceanic crust and lithosphere to the upper mantle. Water plays a key role in subduction zone processes, including plate tectonics, magma generation, elemental transport and earthquake generation. The chemical composition, H2O content of oceanic lithosphere sinking to the mantle, age and geometry of subducting oceanic slab are the main factors controlling subduction zone processes including dehydration.The principle aim of this dissertation is to investigate the regime of water release from subducting oceanic plate and the associated behavior of Fe and S in serpentinites, which are the main carriers of water into the slab. The experimental approach of my work allows one to compare chemical and mineral changes occurred during dehydration of serpentinites with different composition. A number of analytical techniques were applied to study the influence of bulk rock composition on the mineral chemistry of produced assemblages. The experimentally investigated pressure-temperature ranges, i.e. 2 GPa and 450-900C, are representative for hot subduction zones. The extrapolation to other common geothermal gradients was done through thermodynamic modeling. The investigated serpentinite compositions correspond to natural serpentinized peridotites described for oceanic lithosphere.Bulk Fe content was demonstrated to decrease thermal stability of antigorite by 25C on average. Dehydration of Fe-bearing serpentinites, consequently, occurs at lower temperatures compared to Fe-free assemblages. Dehydration reactions observed in Fe-free systems are univariant reactions, while in Fe-bearing systems, serpentinites dehydration appears over a range of temperature through divariant reactions. Moreover, the presence of Al in serpentinite stabilized clinochlore, which retains 15% water initial contain in serpentinite down to ~120km (820°C/2 GPa) within hot subduction. Such a dependence of serpentinite dehydration on bulk Fe and Al brings importance of considering not only geometry and the age of the slab, but also a composition of slab lithologies while modeling and interpreting processes in subduction zone. A comparison of the depths of serpentinite dehydration and seismicity revealed a strong correlation and therefore a potential contribution of water release to seismicity in the case of hot subduction zones (i.e., Chili type subduction).X-ray absorption spectroscopy measurements revealed a progressive reduction of Fe and S in investigated serpentinites. The bulk Fe3+/Fetotal ratio initially high in serpentinite is shown to decrease in anhydrous and higher temperature assemblages due to magnetite and Fe3+-bearing antigorite breakdown at <550°C and 700°C, respectively. The presence of pyrite in serpentinite, which transforms to pyrrhotite below 450°C, imposes a release of ¼ of initial sulfur, in H2S form. The presence of magnetite and pyrite in serpentinite, is crucial and responsible for the production of highly oxidized fluids and volatile sulfur species, which can be transported from the subducting slab into the mantle wedge. Application of results, obtained in the present study, to nature demonstrates that fluids rising from subducting slab are responsible for oxidation of overlying mantle, and in addition, magnetite and antigorite breakdown which occurs with at least 100°C difference may cause a release of chemically different fluids at shallow (low-T) and deep (high-T) parts of subduction.