Les xénolites mantelliques préservent-ils la signature en eau du manteau lithosphérique et comment ? : Une approche analytique, expérimentale et numérique

Do mantle xenoliths preserve water signature from the lithospheric mantle and how ? : An analytical, experimental and numerical approach

• Auteur / Autrice : Konstantinos Thomaidis
• Direction : Jannick Ingrin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Milieux denses, matériaux et composants
• Date : Soutenance le 31/03/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMET - Unité Matériaux et Transformations
• Jury : Président / Présidente : Sébastien Merkel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Hirel, Etienne Deloule
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Violaine Sautter, Sylvie Demouchy

Mots clés

Mots clés contrôlés

Deutérium

Fourier, Spectroscopie infrarouge à transformée de

Joints de grains

Défauts ponctuels

Pyroxènes

Péridotite

Roches volcaniques

Teneur en eau

Lithosphère

Mots clés libres

Xénolites

Manteau lithosphérique

OH défauts ponctuels

Diffusion isotopique

Xenoliths

Lithospheric mantle

OH point defects

Diffusion

Résumé

L'eau sous forme de défauts ponctuels dans la structure des pyroxènes (pxs) des xénolites du manteau est fréquemment utilisée pour tracer la teneur en eau du manteau lithosphérique. Cependant, on sait peu de choses sur le mécanisme qui permet aux xénolites de conserver les signatures hydrogène (H) profondes et si l'on peut éviter une réinitialisation complète ou partielle par réaction avec le magma hôte pendant le transport. En particulier, on ne sait pas : 1) comment la teneur en eau des xénolites est modifiée par le mode d'éruption et pendant le refroidissement de la lave en surface 2) comment les joints de grains (gb) peuvent affecter l'échange H du xénolite avec le magma. L'objectif de cette thèse est de mieux comprendre ces deux aspects de la préservation de la signature de l'eau dans les xénolites mantelliques.La première question est abordée à travers une étude des xénolites de péridotites de deux localités du Massif Central, Allègre et Ray Pic. Nous avons effectué environ 1000 analyses ponctuelles par FTIR et mesures de profil dans des cristaux ol, cpx et opx provenant de 16 xénolites collectés sur les deux localités. Les deux localités ont des structures de coulée de lave différentes, Allègre est un lac de lave figé et a une structure verticale tandis que Ray Pic est une coulée de lave typique allongée/horizontale. Les deux études montrent qu'il n'y a aucune preuve que le refroidissement et la solidification des coulées basaltiques affectent la teneur totale en eau des pxs dans les xénolites du manteau. Cependant, la comparaison des xénolites du dépôt pyroclastique avec ceux de la coulée de lave à Ray Pic montre que la concentration en eau est fortement affectée par le degré de dégazage du magma avant l'éruption. Par contre, des xénolites avec de pxs présentant différentes signatures spectrales, coexistent dans la même coulée de lave. La mise en place et le dégazage n'affectent donc pas les signatures spectrales, suggérant des signatures antérieurement peuvent être conservées.Pour la deuxième question, nous nous sommes concentrés sur l'étude du rôle des gb sur l'échange isotopique de H des xénolites avec leur environnement. Nous avons utilisé une approche combinant expérimentation et numérique. Nous présentons les résultats d'expériences d'échange hydrogène/deutérium réalisés dans monocristaux d'opx et des morceaux cubiques de taille centimétrique provenant d'un même xénolite. Les expériences ont été réalisées entre 600-900°C dans un gaz enrichi en deutérium (D), à pression ambiante. Nous avons comparé les profils de diffusion mesurés dans les monocristaux et les opx situés au bord des cubes avec les profils de diffusion dans les opx à l'intérieur des cubes. Les profils de diffusion ont été analysés grâce à un logiciel de modélisation numérique 2D (Idefick) original. Nos lois de diffusion H-D pour la diffusion intra-cristalline dans les opx mantelliques sont légèrement plus lentes mais comparables à celles proposées dans la littérature pour l'enstatite synthétique pure. Les profils OH-OD enregistrés dans les opx à l'intérieur des cubes ne sont que légèrement plus courts que ceux enregistrés dans les opx au bord des cubes. Ces résultats montrent que la diffusion isotopique de H dans les gb est suffisamment rapide pour équilibrer rapidement les cristaux d'opx à l'intérieur d’échantillons centimétriques. La diffusion aux gb impliquant l'échange H-D dans les xénolites est au moins 3 ordres de grandeur plus rapide que la diffusion intra-cristalline dans l'opx. C’est une première preuve que dans la nature, la signature δD des xénolithes est très probablement contrôlée par l'équilibre avec le magma hôte, même dans le cas de xénolithes de taille conséquentes. Ceci explique pourquoi les pxs de la plupart des xénolithes du manteau ont des signatures δD appauvries. Celles-ci reflètent plutôt un équilibre avec un magma dégazé qu'une signature originale du manteau.

Water in the form of hydrous point defects in the crystal structure of pyroxenes (pxs) from mantle xenoliths is frequently used to trace the water content in the lithospheric mantle. However, little is known on the mechanism that allows xenoliths to preserve deep hydrogen (H) signatures and if we can avoid complete or partial reset by reaction with the host magma during transport. Especially, it is unknown: 1) how much water content of xenoliths is modified by the eruption mode (effusive versus explosive) and during lava emplacement 2) how grain boundaries (gb) can affect H exchange in the xenolith with the surrounding melt. The aim of this thesis is to provide better understanding on these two aspects of the preservation of water signature in mantle xenoliths. The first question is approached through an analytical study of peridotite xenoliths from two localities in the French Massif Central, Allègre and Ray Pic. We performed around 1000 FTIR point analysis and profile measurements in ol, cpx and opx crystals derived from 16 xenoliths collected on both localities. The two localities have different lava flow structures, Allègre is a frozen lava lake and has a vertical structure while Ray Pic basaltic lava flow is a typical elongated/horizontally one. In Allègre, we studied xenoliths from different heights in the 30 m lava body. In Ray Pic we sampled xenoliths along the 20 km lava flow and in a pyroclastic deposit at the volcanic edifice. Both studies show that there is no evidence that cooling and solidification of basaltic flows affect the total water content of pxs in mantle xenoliths. However, the comparison of the xenoliths from the pyroclastic deposit and the lava flow at Ray Pic shows that the water concentration is strongly affected by the degree of degassing of the magma prior the eruption. In addition, xenoliths with different spectral signatures of pxs coexist with the same lava flow suggesting that the emplacement and degassing does not affect spectral signatures, suggesting that they may preserve signatures acquired earlier.For the second question, we concentrated on the study of the role of gb on the H isotopic exchange of the xenoliths with its surrounding. We used a combine experimental and numerical approach. In our experimental approach, we present results from hydrogen-deuterium exchange experiments performed in cm-size cubic pieces of a natural xenolith, a spinel lherzolite aggregate. Experiments were performed between 600-900oC in a deuterium (D) enriched gas, at room pressure. We used single crystals of opx from the same xenolith, as sensors of the progress of the exchange within the polycrystalline aggregates. We compared diffusion profiles measured in single crystals and opx located at the edge of the cubes with diffusion profiles in opx inside the cubes, not directly in contact with the gas. Diffusion profiles were analysed through a 2D numerical modelling software (Idefick). Our H-D diffusion laws for intra-crystalline diffusion in mantle opx are slightly slower but comparable to the ones in literature for synthetic pure enstatite. OH-OD profiles recorded by FTIR in opx inside the cubes are only moderately shorter than the ones recorded in opx at the edge of the cubes (i.e. apparent diffusion inside the cubes are only moderately slower). These results indicate that the isotopic diffusion of H in gb is fast enough to equilibrate rapidly the opx crystals inside the cube xenoliths. It shows that grain boundary diffusion involving H-D exchange in xenoliths is at least 3 orders of magnitude faster than intra-crystalline diffusion in opx. This can be a first-evidence that in nature the δD signature of xenoliths is very likely controlled by the equilibrium with the host magma even in the case of xenoliths with large grain size. It provides explanation why pxs from most mantle xenoliths have depleted δD signatures. These rather reflect equilibrium with a degassed magma than an original mantle signature.