Les xénolites mantelliques préservent-ils la signature en eau du manteau lithosphérique et comment ? : Une approche analytique, expérimentale et numérique
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 (Lille ; 1992-....) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : UMET - Unité Matériaux et Transformations |
Jury : | Président / Présidente : Sébastien Merkel |
Examinateurs / Examinatrices : Pierre Hirel, Etienne Deloule | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Violaine Sautter, Sylvie Demouchy |
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.