Les magmas parentaux du volcanisme récent du Bas-Vivarais (Ardèche, France) : composition, conditions de genèse et origine de leur richesse en CO2

Parent magmas from recent volcanism in the Bas-Vivarais (Ardèche, France) : composition, conditions of genesis and origin of their CO2 abundance

• Auteur / Autrice : Roxane Buso
• Direction : Didier Laporte
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et évolution de la terre et des autres planètes
• Date : Soutenance le 17/05/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Magmas et Volcans
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Bolfan-Casanova
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fleurice Parat, Muriel Laubier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sébastien Pilet, Yann Morizet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Teneur en dioxyde de carbone

Magmas

Volcanisme

Magmatisme

Mots clés libres

Inclusion magmatique

Pétrologie

Géochimie

Carbone

Manteau

Volcanisme intraplaque

Melt inclusion

Petrology

Geochemistry

Carbon

Mantle

Intraplate volcanism

Résumé

L'origine du volcanisme intraplaque continental, en particulier celle des magmas alcalins pauvres en silice, est encore mal comprise. La province volcanique du Bas-Vivarais (Ardèche, Massif central), l'une des plus récentes de France métropolitaine, constitue un objet exemplaire pour aborder cette problématique. Elle se caractérise par des magmas basanitiques très peu différenciés, riches en enclaves (crustales et mantelliques), qui ont rapidement traversé la lithosphère afin d'alimenter les éruptions volcaniques en surface. Sur la base d'une étude des inclusions magmatiques piégées dans les phénocristaux d'olivine, nous apportons un ensemble d'éléments texturaux et compositionnels permettant de mieux comprendre l'origine des magmas parentaux de cette province volcanique. Nous avons caractérisé la phase vitreuse des inclusions magmatiques par microanalyse à la sonde électronique (éléments majeurs, Cl, F et S), LA-ICP-MS (éléments traces) et spectrométrie Raman (H2O et CO2), et obtenu des compositions basanitiques aux teneurs élevées en volatils (allant de 0,8 à 2,5 wt% de H2O ; et jusqu'à 1,9 wt% de CO2 dissout dans les verres). Cependant, la particularité de ces inclusions est qu'en plus du verre silicaté, elles possèdent des bulles riches en CO2. Ainsi, les teneurs en CO2 des liquides au moment de leur piégeage par les inclusions sont sous-estimées si l'on considère uniquement la phase vitreuse. Afin d'évaluer les teneurs en CO2 total de l'inclusion, nous avons (1) réalisé une caractérisation chimique et texturale des inclusions et de leur bulle à l'aide de plusieurs techniques innovantes telles que la cartographie 3D au spectromètre Raman et la microanalyse au microscope électronique à balayage à faisceau d'ions focalisé (SEM-FIB) ; et (2) développé une nouvelle technique d'homogénéisation des inclusions à haute pression et haute température au piston-cylindre. Les cartographies Raman ont montré que les bulles des inclusions sont constituées de CO2 (gaz et liquide) et de microcristaux (principalement des carbonates, plus quelques sulfures) recouvrant les parois de la bulle. Les analyses au SEM-FIB ont mis en évidence la présence de carbonates associés à une phase riche en silice, aussi bien dans la bulle qu'à l'interface olivine-inclusion. Cet assemblage témoigne de réactions de carbonatation des silicates (liquide silicaté, olivine) intervenant dans l'inclusion au cours de l'ascension du magma. Après homogénéisation, les teneurs totales en CO2 des inclusions magmatiques atteignent 4,8 wt% (3,4 wt% en moyenne). Ces teneurs importantes en CO2, parmi les plus élevées jamais mesurées dans les inclusions magmatiques silicatées, sont compatibles avec la fusion d'une pyroxénite carbonatée contenant des phases hydratées (phlogopite et amphibole) et du grenat. La source mantellique à l'origine de ces magmas est riche en CO2 (630 ppm au minimum) et a été métasomatisée par des carbonatites et des liquides silicatés, possiblement dérivés de la fusion de lithosphère océanique varisque recyclée en profondeur. Ce modèle pourrait être généralisé à d'autres provinces volcaniques du Massif Central, du rift ouest-européen et à d'autres édifices volcaniques en contexte intraplaque.

The origin of continental intraplate volcanism, in particular that of silica-poor alkaline magmas, is still poorly understood. The Bas-Vivarais volcanic province (Ardèche, French Massif Central), one of the most recent in France, is an exemplary object to address this issue. It produced basanitic magmas with a very low degree of differentiation, rich in enclaves (of crustal and mantle origin), which rapidly crossed the lithosphere to feed volcanic eruptions at the surface. Based on a study of melt inclusions trapped in olivine phenocrysts, we provide a set of textural and compositional data that help to constrain the origin of the parent magmas of this volcanic province. We have characterized the glass phase of melt inclusions by electron probe microanalysis (major elements, Cl, F and S), LA-ICP-MS (trace elements) and Raman spectrometry (H2O and CO2), and obtained basanitic compositions with high volatile contents (ranging from 0.8 to 2.5 wt% H2O; and up to 1.9 wt% CO2 dissolved in glass). However, one peculiar feature of these melt inclusions is that, in addition to the silicate glass, they always contain CO2-rich bubbles. Thus, the CO2 content of the melt at the time of inclusion entrapment is underestimated if only the glass phase is considered. In order to assess the total CO2 content of inclusion, we (1) performed a chemical and textural characterization of the inclusions and their bubbles using several innovative techniques such as 3D mapping with Raman spectrometer and scanning electron microscopy coupled with focused-ion-beam (SEM-FIB) ; and (2) developed a new technique of homogenization of inclusions at high pressure and high temperature in a piston cylinder. Raman mapping showed that bubbles in inclusions consist of CO2 (gas and liquid) and microcrystals (mainly carbonates, plus minor sulfides) covering the bubble walls. SEM-FIB analyses revealed the presence of carbonates associated with a silica-rich phase, both in the bubble and at the olivine-inclusion interface. This assemblage is evidence of carbonation reactions of silicates (silicate liquid, olivine) occurring in the inclusion during magma ascent. After homogenization, the total CO2 contents of melt inclusions reach 4.8 wt% (3.4 wt% on average). These high CO2 contents, among the highest ever measured in silicate magmatic inclusions, are consistent with the melting of carbonate pyroxenite containing hydrated phases (phlogopite and amphibole) and garnet. The mantle source of these magmas is rich in CO2 (630 ppm at least) and was metasomatized by carbonatites and silicate liquids, possibly derived from the melting of recycled, variscan oceanic lithosphere at depth. This model could be generalized to other volcanic provinces of the Massif Central, the West European Rift and to other volcanic edifices in intraplate settings.