Caractérisation des conditions redox du manteau terrestre dans différents contextes géodynamiques

Characterization of the redox conditions of the Earth’s mantle in the different geodynamic settings

• Auteur / Autrice : Marion Gaborieau
• Direction : Nathalie Bolfan-Casanova
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers
• Date : Soutenance le 18/12/2019
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Magmas et Volcans
• Jury : Président / Présidente : Olgeir Sigmarsson
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Muriel Laubier, Johanna Marin Carbonne
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Faure, Antoine Bézos

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydoréduction

Terre -- Manteau

Mots clés libres

Redox

Fugacité d’oxygène

Inclusion magmatique

Magma primaire

Zone de subduction

Ride médio-océanique

Points chaud

Spectroscopie Mössbauer

XANES

Eléments en traces

Redox

Oxygen fugacity

Melt inclusion

Primary magma

Subduction zone

Mid-ocean ridge

Hot spot

Mössbauer spectroscopy

XANES

Trace elements

Résumé

Plusieurs études ont permis de mettre en évidence que les basaltes d’arc sont plus oxydés (~ ∆QFM+1.5 ± 1) que les basaltes de rides médio-océaniques (MORB ; ∆QFM-1.2 à ~ ∆QFM). Cependant, l’état redox du manteau sous les arcs est toujours débattu. L’utilisation de différents proxys de la détermination de la fugacité d’oxygène (fO2) sur un même jeu d’échantillons a pour objectif de déterminer plus précisément l’état d’oxydation des magmas, de contraindre l’effet des processus secondaires tels que la différenciation et le dégazage sur leur état d’oxydation et ainsi de mieux caractériser la fO2 des magmas primaires et du manteau supérieur dans les différents contextes géodynamiques. Pour cela, les rapports Fe3+/ΣFe, les coefficients de partage du V entre les liquides silicatés et les olivines (DvOl/Liq) ainsi que les rapports V/Sc et V/Yb ont été déterminés dans des magmas piégés précocement après la fusion du manteau sous forme d’inclusions magmatiques dans des olivines magnésiennes (Fo > 80 %) provenant de différents contextes géodynamiques (i.e. contexte de dorsale médio-océanique, de zone de subduction et de point chaud). La détermination des rapports Fe3+/ΣFe par spectroscopie XANES avec des conditions analytiques permettant d’éviter les processus de photo-oxydation des verres hydratés et par spectroscopie Mössbauer a permis de confirmer que les basaltes d’arc sont plus oxydés que ceux des points chauds (OIB) et des MORB. La corrélation entre les rapports Fe3+/ΣFe et les teneurs en H2O des inclusions magmatiques suggère que la différence d’état d’oxydation serait liée à une variation de l’état d’oxydation du coin de manteau causée par le processus de subduction. De plus, les fO2 obtenues à partir de ces rapports indiquent qu’au sein de la population des magmas d’arc, l’état d’oxydation des magmas est variable d’une zone de subduction à l’autre. Par la suite, une évaluation de l’effet du dégazage des éléments volatils et de la cristallisation fractionnée sur la fO2 des magmas a été menée pour chaque population d’inclusions des différentes localités. Après avoir reconstitué les compositions des liquides magmatiques primaires, leur fO2 a été estimée à partir des différents proxys de la mesure de la fO2. Les résultats obtenus à partir des rapports Fe3+/ΣFe, des coefficients de partage DvOl/Liq et des rapports V/Yb indiquent que les magmas primaires d’arc sont plus oxydés que ceux des rides médio-océaniques et des points chauds. Cependant, les valeurs de fO2 obtenues à partir de ces trois proxys diffèrent. Par ailleurs, la corrélation entre les rapports Fe3+/ΣFe, les fO2 calculées à partir de ces rapports et les teneurs en H2O des magmas primaires suggère que la différence d’état d’oxydation des magmas n’est pas liée à l’effet des processus secondaires. Toutefois, la comparaison entre les rapports Fe3+/ΣFe, les fO2 calculées à partir de ces rapports et les rapports Th/La et Ba/La des magmas primaires ne permet pas d’affirmer que les variations observées seraient liées à l’influence d’un liquide silicaté provenant de la fusion des sédiments recouvrant la plaque plongeante ou d’un fluide aqueux libéré par la plaque au cours de la subduction. A l’opposé, les fO2 obtenues à partir des rapports V/Sc suggèrent que les magmas primaires d’arc ont un état d’oxydation comparable à ceux des MORB et des OIB.

Many studies have demonstrated that arc basalts are more oxidized (~ ∆QFM+1.5 ± 1) than mid-ocean ridge basalts (MORB; ∆QFM-1.2 à ~ ∆QFM). However, the oxidation state of the sub-arc mantle is still debated. The use of various proxies on the same set of samples aims to determine the oxidation state of magmas, the effects of secondary processes on their oxidation state and to better constrain the fO2 of primary magmas from different geodynamic settings and that of their mantle source. For that purpose, Fe3+/ΣFe ratios, V partition coefficients between silicate melts and olivines (DvOl/Melt) as well as V/Sc and V/Yb ratios were measured in melt inclusions from high-Mg olivines (Fo > 80 %) from subduction zones, mid-oceanic ridges and hot spots. The analysis of Fe3+/ΣFe ratios by XANES spectroscopy using analytical conditions that prevent beam damage during analysis of hydrous glasses and by Mössbauer spectroscopy confirmed that arc magmas are more oxidized than those from hot spots and mid-ocean ridges. A positive correlation between Fe3+/ΣFe ratios and water contents in melt inclusions suggests that the oxidation state recorded in primitive arc magmas is likely to be due to changes in the oxidation state of the mantle beneath arcs because of subduction processes. The calculation of the fO2 from Fe3+/ΣFe ratios also indicates that the range of oxidation state recorded in arc melt inclusions varies from one subduction zone to another. An evaluation of the effects of volatile degassing and differentiation processes on the magmatic fO2 was carried out on each melt inclusion population. fO2 values were then estimated for reconstructed primary melt compositions using the different redox proxies. Results obtained from Fe3+/ΣFe ratios, DvOl/Melt partition coefficients and V/Yb ratios suggest that arc primary magmas are more oxidized than those from hot spots and mid-ocean ridges. However, fO2 values differ from one proxy to another. Furthermore, the positive correlation between the Fe3+/ΣFe ratios, the fO2 calculated from these ratios and the water contents of primary magmas suggests that the difference in the oxidation state of magmas is not due to secondary processes. However, the comparison between the Fe3+/ΣFe ratios, the fO2 values calculated from these ratios and Th/La and Ba/La ratios of primary magmas does not confirm that the observed changes in redox state can be simply linked to the influence of silicate melt or aqueous fluids coming from the slab to the mantle wedge. On the opposite, fO2 values calculated from V/Sc ratios suggest that primary arc magmas are comparable to those from mid-ocean ridges and hot spots.