La lawsonite dans les métasédiments en base de zone sismogénique : géochimie, échelles de migration des fluides et rôle de la déformation dans les Schistes Lustrés

Lawsonite in metasediments located at the base of seismogenic zone : geochemestry, fluids pathways and lengthscales and implications on deformation within the Schistes Lustrés

• Auteur / Autrice : Benjamin Lefeuvre
• Direction : Philippe Agard, Anne Verlaguet, Benoît Dubacq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance le 16/12/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre de Paris (2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Jolivet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maureen Feineman, Laure Martin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Alberto Vitale Brovarone, Michel Ballèvre

Mots clés

Mots clés contrôlés

Subduction

Alpes (France)

France

Schistes lustrés

Mots clés libres

Zones de subduction

Schistes Lustrés Alpins

Métasédiments

Lawsonite

Réaction de formation

Zonation en éléments traces

Circulation des fluides

Séismes lents

Subduction zones

Alpine Schistes Lustrés

Metasediments

Lawsonite

Lawsonite-forming reaction

Trace elements zoning

Fluid circulation

Slow earthquakes

Résumé

La circulation des fluides issus des réactions de déshydratation a des conséquences majeures sur les propriétés rhéologiques dans les métasédiments présents en zone de subduction. Les méthodes géophysiques y suggèrent la présence de fortes concentrations de fluides entre 30 et 40 km sous la surface. C’est également dans cette gamme de profondeur que de nouveaux types de séismes ont été décrits au début des années 2000 : les séismes lents, pour lesquels il est admis que les fluides jouent un rôle important mais dont le déclenchement, les mécanismes de déformations associés, de même que la source des fluides, leur origine, leur volume et l’échelle et le mode de leur circulation demeurent débattus. Pour améliorer les bilans de production de fluides dans ces gammes de pression – température (de 150 à 350°C, de 0.3 à 1.2 GPa) et affiner la compréhension de la migration des fluides dans ces roches, nous avons recours à un analogue de terrain: le complexe des Schistes Lustrés alpins. La présence ubiquiste de lawsonite dans ces métasédiments, dans la matrice et dans différentes générations de veines, y témoigne d’intenses interactions fluides-roches. La lawsonite est d'autant plus importante que ce minéral hydraté (~12 % poids de H2O; de formule théorique CaAl2Si2O7(OH)4.H2O) est aussi connu pour jouer un rôle important dans le recyclage des fluides en contexte de subduction, jusqu’aux conditions de ultra-haute pression (>300 km). Dans un premier temps, cette thèse vise à mieux contraindre les réactions de formation de la lawsonite afin de clarifier les échanges de matières effectifs en profondeur. Puis, une étude géochimique fine des éléments traces réalisée sur les différents types de lawsonite rencontrés sur le terrain permet de mettre en évidence deux comportements très différents en terme d’interactions fluides-roches. Les observations faites dans cette étude mettent en évidence une ouverture progressive du système, en terme de circulation de fluides. Les échelles sur lesquelles sont remobilisés les fluides sont encore incertaines et l'étude en cours sur les rapports isotopiques du strontium apportera des éléments de réponses pour mieux contraindre la migration de ces fluides.

In subduction zones, the migration of fluids derived from the dehydration of metasediments has important consequences on the mechanic properties of rocks, hence on seismicity. Geophysical imaging of the velocity of pressure and shear waves shows that fluids are present in large quantities and migrating in the 30-40 km depth range. This range corresponds to the depth at which slow slip events are supposed to take place, and it is currently assumed that fluids play a large part in the onset of these slow slip events. Deformation mechanisms accompanying slow slip events are still debated, as well as the exact role of fluids, which remain enigmatic in their source, origin, volumetric importance together with the scale and the mode of their migration. To better understand how such fluids migrate in subducted metasediments and refine the budget of fluids in this context (from ~150°C-0.3 GPa to 350°C-1.2 GPa), we have studied subunits of the Schistes Lustrés Complex of the Western Alps. Lawsonite (ideally CaAl2Si2O7(OH)4.H2O) is ubiquitous in these rocks, in the schistose matrix as well as in metamorphic veins, attesting to fluid-rock interactions at depth. Lawsonite, a highly hydrated mineral (~12wt.% H2O) is of particular interest as it is known to play a key role in recycling fluids to mantle depths for it is stable up tu ultra-high pressures. This study aims first at defining which reactions allowed lawsonite crystallization to shed light on element transfer at depth. The petrologic study allowed distinguishing several types of lawsonite based on textural, micro-structural and morphologic criteria. Then, a detailed geochemical study of the lawsonite types has been carried out in this study. Results highlight the differences in fluid-rock interactions and their time evolution. The earliest, most abundant lawsonite type shows closed-system crystallization with small equilibrium length-scales (micro- to millimetres) whereas later lawsonite types indicate system opening with increased fluid mobility and element transfer via advection. Observations concur to showing progressive system opening in the Schistes Lustrés via increased fluid mobility. Scales of fluid mobilization remain uncertain and analysis of strontium isotopic ratios will help further constraining the source of fluids and their interactions with the host rock.