L'origine et la source du manteau des magmas ultramafiques du phanérozoïque, en se focalisant sur les roches volcaniques de Song Da, dans le nord du Vietnam

Origin and mantle source of phanerozoic ultramafic melts, with the focus on Song Da northern Vietnam volcanic rocks

• Auteur / Autrice : Charbel Kazzy
• Direction : Alexandr Vladimirovič Sobolev, Valentina Batanova
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement
• Date : Soutenance le 26/06/2024
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble, Isère, France ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Emilie Janots
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Carole Cordier, Catherine Chauvel, François Faure
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Anastassia Borisova, Guy Libourel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Komatiite

Géodynamique

Magmatisme

Phanérozoïque

Mots clés libres

Panache mantellique

Komatiites

Inclusions magmatiques

Olivine

Mantle plume

Komatiites

Melt inclusions

Olivine

Résumé

Le manteau révèle des informations cruciales sur l'évolution de notre planète. Les magmas ultramafiques sont les meilleurs traqueurs de la composition du manteau, car la plupart sont issus de forts taux de fusion des panaches provenant du manteau inférieur. On pense que les grandes provinces magmatiques (LIP) dérivent des panaches mantelliques, et certaines LIP sont liées à des crises environnementales majeures. La grande province magmatique d'Emeishan (ELIP) attire l'attention des scientifiques en raison de son lien avec l'extinction massive du Guadalupéen et ses gisements mondiaux d'oxydes de Fe-Ti-V. De nombreuses études ont montré une hétérogénéité dans la source mantellique d'ELIP. La série volcanique ultramafique Permienne de Song Da du Vietnam est un exemple rare de picrites phanérozoïques bien préservées et la plus appauvrie et potentiellement la plus élevée en température de l'ELIP. Ainsi, ils sont essentiels pour comprendre les caractéristiques du panache mantellique de l’ELIP. Malgré les efforts continus visant à reconstituer la composition du magma primaire des laves ultramafiques de Song Da, les concentrations d'éléments volatils et mobiles restent mal définies en raison d'une forte altération des roches. Pour éviter ces problèmes, il convient d'étudier les inclusions magmatiques dans l'olivine, protéger des processus externes par leur hôte.Nous présentons des mesures in situ de l'abondance des éléments majeurs et traces dans l'olivine hôte et du Cr-spinelle, ainsi que des concentrations d’H2O, d'éléments majeurs et traces, et des isotopes du Sr dans les inclusions magmatiques des laves ultramafiques de Song Da. Deux séries volcaniques ont été identifiées : des magmas à faible teneur en Ti, précédemment classées comme komatiites, et des picrites riches en Ti et en Na nouvellement découvertes. Trois géothermomètres indépendants et deux oxybaromètres indiquent une cristallisation dans un système fermé dans des conditions réduites à des températures allant jusqu'à 1450 °C pour la série à faible Ti, en accord avec les conditions de cristallisation des komatiites. Les picrites à haut Ti ont cristallisé à partir de 1330 °C dans un système ouvert. Des mesures directes indiquent que le magma primaire des magma komatiitiques de Song Da contenait jusqu'à 1 pds% de H2O, probablement échantillonnée dans la zone de transition du manteau hydraté par le panache partiellement fondu. Les mesures des isotopes du Sr dans les inclusions magmatiques indiquent un enrichissement en Sr radiogénique dans la source des magmas à faible Ti (jusqu'à 0,7083 87Sr/86Sr 260 Ma corrigé en fonction de l'âge) dans les échantillons avec εNd de la roche jusqu'à +8, ce qui donne un découplage significatif dans le systèmes isotopiques Sm-Nd et Rb-Sr. Les inclusions magmatiques à haut Ti ont un rapport 87Sr/86Sr jusqu'à 0,7045 (corrigé en fonction de l'âge), ce qui, avec le εNd de la roche totale de +4, correspond au réseau isotopique du manteau Nd-Sr.Nos résultats suggèrent que les magma ultramafiques à faible Ti de Song Da proviennent probablement d’un magma parental ultramafique de type komatiitique avec une teneur en MgO comprise entre 21 et 23 pds%, formée par un fort taux de fusion partielle (plus de 26 %) du panache mantellique appauvri. Le magma de la picrite à haut Ti possède 17 à 18 pds% de MgO et a probablement été produite par un taux de fusion partielle inférieur à 9 % dans une région plus froide du panache. Les inclusions magmatiques moins appauvries de la série à faible Ti de Song Da montrent une légère contamination par la croûte continentale. Les inclusions magmatiques à faible Ti les plus appauvrie contiennent le plus de Sr radiogénique, ce qui suggère que sa source contient un composant appauvri, contaminé par de l'eau de mer vieille de 300 à 600 Ma, éventuellement introduit dans la source de l’ELIP par la subduction de la paléo-Téthys. La source du magma à haut Ti était enrichie en Pb, Sr et Na, dont l'origine est encore inconnue.

The mantle represents the biggest envelope of the Earth. Understanding its composition gives critical information about the Earth's evolution. Ultramafic magmas are the best trackers of mantle composition as most are derived from the high degrees of melting of mantle plumes originating from the deep mantle. Large Igneous Provinces (LIP) are thought to be derived from mantle plumes, and some of them relate to major environmental crises. The Emeishan Large Igneous Province (ELIP) attracts the attention of scientists because it correlates with the end-Guadalupian mass extinction and is a source of world-class Fe-Ti-V oxide deposits. Many studies have shown significant heterogeneity in the mantle source of ELIP. Vietnam's Permian Song Da ultramafic volcanic suite is a rare example of well-preserved Phanerozoic picrites and the most depleted and potentially highest in temperature of ELIP. As such, they are critical to understanding temperature, pressure, potential temperature, and the source of heterogeneity of the ELIP mantle plume. Despite continuous efforts to unravel the composition of the primary melt of Song Da ultramafic lavas, the volatile and mobile element concentrations remain poorly constrained due to extensive alteration of the bulk rocks. To avoid these problems, primary melt inclusions in olivine, which the host shields from external processes, should be studied.Here, we present precise in-situ measurements of major and trace element abundances in host olivine and Cr-spinel, as well as concentrations of major and trace elements, H2O and Sr isotopes in olivine-hosted melt inclusions from the Song Da ultramafic lavas. Two distinct volcanic suites were identified: low-Ti lavas, previously classified as komatiites, and newly discovered Ti- and Na-rich picrites. Three independent geothermometers and two oxybarometers indicate crystallization in a closed system under reduced conditions from temperatures up to 1450°C for the low-Ti suite, consistent with komatiite crystallization conditions. High-Ti picrites crystallized from 1330°C in a buffered open system. These conditions correspond to mantle potential temperatures of 1590°C and 1450°C, respectively. Direct measurements indicate that the primary melt of the Song Da komatiitic melts contained up to 1 wt.% H2O, likely sampled from the hydrated mantle transition zone by the partially molten plume. Measurements of Sr isotopes in melt inclusions indicate enrichment in radiogenic Sr in the source of the low-Ti melts (up to 0.7083 87Sr/86Sr 260 Ma age corrected) in the samples with εNd of bulk rock up to +8, yielding significant decoupling of Sm-Nd and Rb-Sr isotopic systems. At the same time, high-Ti melt inclusions have 87Sr/86Sr up to 0.7045 age-corrected, which, along with the εNd of bulk rock of +4, fit the Nd-Sr isotopic mantle array. Analysis of trace elements in melt inclusions shows a large compositional range in the low-Ti suite with significant correlations with Sr isotope ratios.Our findings suggest that the low-Ti ultramafic volcanics at Song Da likely originated from an ultramafic komatiite-like parental melt with an MgO content ranging between 21 and 23 wt.%, formed by a significant degree (over 26%) of partial melting of a depleted mantle plume. The high-Ti picrite melt possesses 17-18 wt.% MgO and was likely produced by a degree of partial melting less than 9% in a colder plume region. The less depleted melt inclusions from the Song Da low-Ti suite display evidence of minor contamination by continental crust. The most depleted low-Ti melt contains the most radiogenic Sr, suggesting that its source contains a depleted component contaminated by 300-600 Ma old seawater possibly introduced to the source of the Emeishan LIP by the paleo-Tethys subduction. The source of high-Ti melt was enriched by Pb, Sr, and Na, which are of yet unknown origin.