Etude des séries de listvénites au chevauchement basal de l'Ophiolite de Semail : compréhension du métasomatisme lié aux circulations de fluides riches en CO2 et des processus de carbonatation des péridotites

Study of listvenites series along the Basal Thrust of the Semail Ophiolite : understanding of CO2-metasomatism and carbonate-forming processes of peridotites

• Auteur / Autrice : Thierry Decrausaz
• Direction : Marguerite Godard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biomatériaux
• Date : Soutenance le 15/12/2022
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Manuel Munoz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marguerite Godard, Manuel Munoz, Muriel Andreani, Paola Tartarotti, José Alberto Padrón-Navarta, Esther Schwarzenbach
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Muriel Andreani, Paola Tartarotti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Péridotite

Carbonatation minérale

Métasomatisme

Mots clés libres

Ophiolite de Semail

Listvénites

Métasomatisme

Carbonatation

Semail Ophiolite

Listvenites

Metasomatism

Carbonation

Résumé

La serpentinisation et la carbonatation sont les deux réactions métasomatiques les plus fréquentes affectant les roches du manteau. Les listvénites résultent de l’interaction entre les péridotites et des fluides riches en CO2, pour former des roches à carbonates magnésiens et quartz. Différents modèles pétrogénétiques ont été établis pour expliquer leur complexité géochimique et minéralogique. Cependant, les processus et conditions favorisant leur formation sont peu documentés. Notre étude a été menée sur des listvénites affleurant le long de la base du manteau ophiolitique de Semail en Oman, qui a fait l'objet du forage du puits BT1B dans le cadre du projet Oman Drilling Project.Cette thèse a bénéficié d'un échantillonnage exhaustif de carottes provenant du puits, complété par un échantillonnage régional. Dans le but de mieux comprendre les processus de carbonatation des péridotites, notre étude a combiné une approche multi-échelle et multi-technique incluant : du travail de terrain, une caractérisation microstructurale des échantillons (SEM, Raman, EBSD), des analyses géochimiques en roche totale (XRF, ICP-QMS) et sur minéral (EPMA, LA-ICPMS), ainsi que des études isotopiques (isotopie du C-Fe-Zn en roche totale, isotopie du C-O sur carbonates).Dans la région de Fanja, les listvénites forment des corps tabulaires, kilométriques, ou de lentilles plus petites intercalant le manteau ophiolitique à proximité ou le long du chevauchement basal. La carbonatation des péridotites définit des fronts réactionnels à partir de péridotites serpentinisées et fracturées, pour des serpentinites intensément foliées et carbonatées à la transition avec les listvénites. La section du manteau étudiée est principalement constituée de (Cpx-)harzburgites, de lherzolites et de rares dunites. Les protolithes montrent des enrichissements en éléments mobiles dans les fluides (Li, Rb, Sr, Cs, Ba et Pb). Ces signatures sont typiques des péridotites basales en Oman. La carbonatation des péridotites s’est effectuée par infiltration de fluides riches en As, Sr, Sb, Ba et Pb. La disparité spatiale entre des listvénites riches en magnésite et en dolomite suggère que leur formation s’est déroulée lors de différents événements métasomatiques, et/ou la présence de sources de fluides multiples.L’étude pétrologique des péridotites carbonatées révèle une complète serpentinisation avant l’initiation de la carbonatation. Celle-ci s’est déroulée en étapes distinctes, initiée par le remplacement statique de veines de serpentine par des carbonates et par la génération de veines antitaxiales de carbonates. La carbonatation diffuse est caractérisée par la formation précoce de sphéroïdes et d'agrégats de magnésites riches en fer, à proximité de veines de magnésite antitaxiales riches en fer. Cette étape transitoire a été suivie par un remplacement plus étendu de la matrice par des magnésites riches en Mg, avant la silicification de la serpentine résiduelle. Les variations compositionnelles des magnésites témoignent d’un changement dans la composition des fluides, dans les conditions redox et/ou de l’accessibilité des fluides au cours de la carbonatation.L’isotopie en carbone des péridotites carbonatées révèle une composante inorganique prédominante dans les fluides, cohérente la dévolatilisation de sédiments clastiques lors de leur enfouissement en contexte de convergence. La distribution le long du puits des signatures isotopiques en oxygène des carbonates suggère une carbonatation à basse température (<200 ° C) par infiltration répétée de fluides à différents niveaux structurels au fil du temps. L’isotopie du fer et du zinc des listvénites sont parmi les plus variables pour des péridotites. Alors que les compositions isotopiques du Fe sont restées inchangées au cours de la serpentinisation et de la carbonatation, une corrélation entre les compositions en δ13CTC et δ66Zn indique la mobilité et le transport préférentiels du Zn dans les fluides réactifs.

Mantle rocks exposed to subsurface conditions or hydrothermal fluids react in response to disequilibrium. In nature serpentinization and carbonation are the two prevalent fluid-rock reactions affecting mantle rocks. Listvenites form by the complete conversion of peridotites into Mg-carbonates-quartz rocks by interaction with reactive CO2-bearing fluids. The geochemical and mineralogical complexity of listvenites led to the establishment of different genetic models, however the processes and conditions favouring listvenite formation are poorly documented. Our study focusses on listvenite exposures along the base of the Semail ophiolite mantle in Oman, which have been the focus of drilling Oman Drilling Project Hole BT1B.The present PhD thesis benefited from high-resolution core sampling from Hole BT1B, further complemented by regional sampling. Aiming to better understand the processes of peridotite carbonation, our study combines a multi-scale and multi-technique approach including: fieldwork, microstructural characterization (optical and scanning electron microscopy, Raman spectroscopy, EBSD), whole rock (XRF, ICP-QMS) and mineral geochemistry (EPMA, LA-ICPMS), and isotopic studies (bulk C-Fe-Zn isotopes, C-O isotopes on carbonates).In the Fanja region, listvenites occur as kilometre-scale tabular sheets or smaller lenses interlayering the ophiolite mantle close to or along the basal thrust of the ophiolite. On field, peridotite carbonation defined reactions fronts from serpentinized peridotites, to intensively foliated and carbonated serpentinites at the transition with listvenite. The mantle section mainly consists of (Cpx-)harzburgites, lherzolites and rare dunites. Protoliths show selective enrichments in fluid-mobile Li, Rb, Sr, Cs, Ba and Pb. This compositional signature is typical of basal peridotites in Oman. Peridotite carbonation proceeded by the infiltration of fluids rich in As, Sr, Sb, Ba and Pb, as evidenced by bulk rock and mineral trace element compositions. Spatial disparity in the occurrence of magnesite-rich and dolomite-rich listvenites suggests their formation during different metasomatic events and/or from multiple sources of fluids.The petrological study of carbonated serpentinites and listvenites indicate that serpentinization underwent completion prior to the onset of carbonation. Carbonation progressed through distinctive stages of pervasive rock matrix replacement and veining. Incipient carbonation is texturally ascribed to pseudomorphic replacement of serpentine veins and the generation of antitaxial carbonate veins. The onset of pervasive carbonation is characterized by the formation of chemically zoned Fe-rich magnesite spheroids and aggregates in the vicinity of antitaxial Fe-rich magnesite veins. This transient stage was followed by extended matrix replacement by Mg-rich magnesite, prior to silicification of the remaining background serpentine. Variations in magnesite compositions indicate changes in fluid compositions, redox conditions and/or fluid access during carbonation.The bulk carbon isotopes compositions of carbonated peridotites in Hole BT1B indicate a strong inorganic component in reactive fluids. This is compatible with fluids sourced from the devolatilzation of clastic sediments underlying the ophiolite triggered by burial during regional convergence. The distribution of oxygen isotope signatures of carbonates across the well suggest carbonation at low temperature (<200 °C) by infiltration of repeated fluid batches at different structural levels over time. The bulk iron and zinc isotope compositions of BT1B listvenites series are among the most variable for mantle rocks considering a single lithological suite. Fe isotopes compositions remained relatively unaffected during successive serpentinization and carbonation. In contrast, a clear correlation between δ13CTC and δ66Zn indicate the preferential mobility and transport of Zn in reactive fluids.