Cours de Géologie

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Basaltes de la zone TAMMAR

La zone TAMMAR est un segment de la dorsale médio-atlantique que nous avons exploré avec le submersible Nautile. Ce segment a été choisi par Pascal Gente, structuraliste de Brest et chef de mission durant la campagne TAMMAR, comme exemple type de segment «chaud» sur bases structurale et géophysique (présence de lacs de laves, ce qui est exceptionnel en contexte d’expansion lente, fortes épaisseurs crustales déduites de la gravi, …). L’analyse des basaltes récoltés durant ces plongées a débouché sur un résultat surprenant: alors que le segment TAMMAR est « structuralement chaud », il s’avère que, sur base pétrologique, il s’agit d’un segment particulièrement «froid», i.e. correspondant à un taux de fusion du manteau parmi les plus faibles de l’Atlantique Nord. Sur la figure ci-dessous, (extraite d’un article que nous préparons pour G-cubed), il apparaît en effet que les basaltes de TAMMAR sont parmi les plus riches en Na8 (Na recalculé pour 8% de MgO) de l’Atlantique Nord, c’est-à-dire correspondant à des taux de fusion du manteau parmi les plus faibles selon le modèle de Langmuir, largement utilisé par les pétrologistes.


  

Structures de migration dans le manteau d’Oman

Une étude de longue haleine de la répartition des différents types pétrologiques de structures de migration magmatique affleurant dans le manteau d’Oman (un millier d’échantillons analysés à la microsonde et prélevés le long des 400 km de l’ophiolite, en particulier dans le cadre de la thèse de Marie Python) a débouché sur des résultats originaux et solidement établis concernant la genèse et la mise en place des magmas en contexte d’expansion océanique (nature des magmas alimentant la section crustale, mélanges des fractions magmatiques dans le réseau de draînage, tamponnage de la composition des MORBs par les processus de migration, fractionnements profonds, focalisation du magmatisme à l’axe des dorsales, …). Par exemple, sur l’image ci-dessous, on voit que la répartition des structures de migration dans le manteau d’Oman (différentes couleurs sur la carte) n’est pas aléatoire. En particulier les chenaux de troctolite (en rouge), c’est-à-dire les zones de circulation de MORB à haute température (circa 1200°C), se concentrent dans quelques secteurs bien délimités dont le plus étendu est un couloir long de 80 Km et large d’une vingtaine de Km, parallèle à l’axe de la paléo-dorsale.


  

Nature et evolution de la lithosphere profonde

En Patagonie, au Cénozoïque, des laves alcalines charriant des nodules ultramafiques se sont mises en place à l’est de l’arc andin dans une région s’étendant du nord de l’Argentine (34°S) jusqu’au champ volcanique de Pali Aike à la frontière sud Chili/Argentine (52°S). Ces laves ont des caractéristiques géochimiques de basaltes intraplaques (OIB). Au cours d’une campagne récente (Dantas, Vereira Conceicao, été austral 2004) nous avons procédé à un échantillonnage exhaustif de ces enclaves qui sont souvent de type composite. Nos résultats préliminaires montrent que le manteau lithosphérique sous-jacent a connu plusieurs événements métasomatiques : (1) des liquides relativement riches en silice (lié à un contexte de subduction?) qui conduisent à la cristallisation diffuse d’orthopyroxènes dans les péridotites et à la formation de veines d’orthopyroxénites ; (2) des liquides plus alcalins (liés à l’activité d’un point chaud ?) qui corrodent, en particulier, les orthopyroxènes et conduisent à la cristallisation de phases hydratées (phlogopite, amphibole,…). L’étude géochimique de ces échantillons a été initiée dés l’automne 2004 par Céline Dantas dont c’est le sujet de thèse (thèse commencée en février 2004).
  

Circulation des magmas dans le manteau superieur

Le Spitzberg, avec une surface de 40 000 km2, est la plus grande des îles de l’archipel de Svalbard. Les roches du socle composées de matériel de croûte continentale sont constituées par des séries protérozoïques et paléozoïques. Dans la région Nord-Ouest du Spitzberg, se trouvent trois centres d’activité volcanique quaternaire : Sverrefjell, Sigurdfjell et Halvdanpiggen. Ces trois centres contiennent de nombreux xénolites de roches du manteau supérieur et de la croûte inférieure. Le volcanisme du Spitzberg est lié à l’activité du point chaud de Yermak, initié lors de la mise en place d’une ride de type Islande, au Nord du Spitzberg (la ride Nansen). Les xénolites mantelliques du Spitzberg remontés à la surface par les magmas basaltiques alcalins quaternaires ont été classés en deux groupes et ont fait l’objet de nombreuses études. Le premier, constitué de lherzolites à diopsides chromifères et spinelles, correspond aux fragments plus ou moins réfractaires et métasomatisés du manteau supérieur péridotitique et le second est formé de ségrégats magmatiques cristallisés directement dans le manteau supérieur. En revanche la présence d’enclaves composites montrant des encaissants péridotitiques et des veines de pyroxénites, n’avait été que simplement signalée et ces enclaves n’avait jamais fait l’objet d’une étude systématique.
  

Interactions magmas/fluides-roches dans le manteau continental archeen

Le but de ce travail est de caractériser les processus de métasomatisme mantellique probablement archéen qui affecte le manteau supérieur sous les zones cratoniques. Nous avons échantillonné de façon intensive et sélective une série d’enclaves mantelliques au niveau de la région de Kimberley située au coeur du craton du Kaapvaal, en Afrique du Sud, enclaves qui ne montraient pas d’évidences de processus métasomatiques plus récents, notamment reliés à l’activité kimberlitique. La région de Kimberley est très intéressante parce qu’elle aurait subi un orogène vers 2.9 Ma et constitue de ce fait une région dont le manteau supérieur a potentiellement subi des processus de métasomatisme relié à un contexte de convergence d’âge archéen. Des études préliminaires que nous avions entreprises sur les enclaves mantelliques récoltées dans la région de Kimberley font apparaître des évidences de processus métasomatiques probablement dues à la circulation dans un manteau très réfractaire de magmas/fluides reliés à une lithosphère océanique subductée, qui pourrait, compte tenu du contexte régional, être archéenne. Notamment il semble que ces réactions soient à l’origine de la richesse en orthopyroxène de ces échantillons, orthopyroxène formé par des réactions de silicification des péridotites du type olivine + magma (fluide) --> orthopyroxène. Dans cette optique le but de notre recherche est de caractériser les signatures minéralogiques, chimiques et isotopiques reliées aux réactions probablement archéennes magmas/fluides -manteau réfractaire. Ce point est abordé par l’étude des échantillons de péridotites et de pyroxénites que nous avons échantillonnés et sélectionnés sur la base de l’absence en leur sein de signatures métasomatiques récentes (notamment kimberlitique, cf paragraphe précédent). Ces échantillons sont de deux types : certains présentent, comme nous l’avons signalé précédemment
  

Les magmas kimberlitiques: leurs effets sur le manteau superieur cratonique

Les kimberlites sont des roches volcaniques (voir hypovolcaniques) ultrabasiques potassiques qui se rencontrent au niveau des terrains cratoniques anciens. Elles sont subdivisées en deux groupes (Group I and Group II) et sont toutes riches en volatils (CO2: Groupe I and H2O: Groupe II). Les kimberlites sont d’un grand intérèt pour plusieurs raisons: (i) elles permettent un accés direct jusqu’à des profondeurs de plus de 150 km à la nature et l’évolution du manteau supérieur cratonique au travers des collections d’enclaves et de xénocristaux qu’elles remontent en surface , (ii) les liquides kimberlitiques sont des agents métasomatiques importants qui entrainent des modifications minéralogiques et chimiques du manteau supérieur dans lequel ils circulent et (iii) Elles constituent souvent des gisements d’intérèts économiques de diamands. De nombreuses études pétrologiques, géochimiques et isotopiques relient leur origine à l’activité de points chauds mais d’autres proposent des contextes de type subduction. Néanmoins ils semblent y avoir un consensus pour relier les liquides kimberlitiques (au moins ceux du Groupe I) à des processus de fusion partielle de très faibles degrees (< 1%) d’un manteau lherzolitique carbonaté à des pressions > 5 GPa (depth > 170 km) et des températures > 1350 °C . Des auteurs proposent meme une profondeur d’origine correspondant à celle de la zone de transition. Nos études se focalisent essentiellement sur les effets de la circulation des magmas kimberlitiques (et basaltiques) dans le manteau supérieur cratonique. Pour cela nous avons étudié des péridotites à grenat et d’autres à spinelle montrant des évidences de métasomatisme et des enclaves riches en phlogopite qui sont des ségrégats magmatiques profonds. Ces enclaves proviennent de quatres localités de référence du craton du Kaapvaal (Bultfontein, Jagersfontein, Monastery et Premier).
  

Histoire metasomatique polyphasee du manteau

Les Iles Kerguelen montrent la plus grande diversité d’enclaves ultramafiques et mafiques remontées par des laves alcalines dans un contexte océanique. Elles ont été remontées au cours de l’activité volcanique la plus récente du point chaud de Kerguelen.

La nature réfractaire des harzburgites est notamment démontrée par leur caractère très magnésien, leurs teneurs très faibles en Al2O3 et CaO. Ce caractère réfractaire est relié à l’épisode de fusion partielle de fort degré qui a affecté le manteau supérieur (15-25%) au cours de la formation de l’archipel des Kerguelen à proximité de la ride Sud Est Indienne, il y a environ 40 Ma. Les différents événements métasomatiques postérieurs associés à la circulation de magmas dans le manteau supérieur à l’aplomb de l’archipel, ont essentiellement eu lieu en contexte intraplaque océanique.

Les harzburgites sont subdivisées en harzburgites protogranulaires à diopside chromifére et en harzburgites poeciloblastiques à augite magnésienne. Les harzburgites poeciloblastiques ont été percolées par de grands volumes de magmas très alcalins, sous-saturés en silice et riches en volatils et qui ont entrainé la cristallisation de l’augite magnésienne parfois associée à la phlogopite et très rarement à une pargasite titanifère.
  

La deformation des roches

Lorsqu'elle est soumise à des contraintes, la croûte terrestre se déforme. On peut définir simplement la contrainte comme étant une force appliquée à une certaine unité de volume. Tout solide possède une force qui lui est propre pour résister à la contrainte. Lorsque la contrainte dépasse la résistance du matériel, l'objet est déformé et il s'ensuit un changement dans la forme et/ou le volume. Il existe des cas où la déformation n'est cependant pas perceptible à l'oeil nu mais détectée seulement par des appareils sensibles, et c'est le cas de la déformation du matériel solide lors d'un tremblement de terre avant qu'il y ait bris.

Les contraintes peuvent déformer tout aussi bien un volume de pâte à modeler que tout un segment de la croûte terrestre. La déformation peut être permanente ou non. Le bris d'un vase qu'on échappe par terre est permanent, alors que la déformation d'une balle de tennis due à l'impact sur la raquette est éphémère. On reconnaît trois principaux types de déformations qui affectent la croûte terrestre: élastique, plastique et cassante (un quatrième type n'est pas discuté ici, la déformation visqueuse qui s'applique aux liquides). Le schéma qui suit montre la relation générale entre contrainte et déformation.