Magmas et fluides profonds

La cinétique des processus magmatiques – qu’ils concerne les liquides silicatés (magmas) ou non-silicatés plus ou moins complexes – apportent des informations fondamentales sur la compréhension des mécanismes de croissance des minéraux,  l’identification de conditions thermodynamiques enregistrés dans les textures des roches et minéraux, ainsi que les processus de transfert opérant dans les chambres magmatiques.

Ces aspects sont étudiés à différentes échelles : de l’échelle globale de la chambre magmatique, à celle de la roche, des interfaces minéral-minéral et minéral-inclusion magmatique. Les approches conjuguent la pétrologie expérimentale reproduisant les textures des minéraux, des roches et la formation d’inclusions, la modélisation (méthode statistique) des textures, ainsi que l’identification des fractionnements élémentaires et isotopiques associés aux interfaces entre minéraux et inclusions. Un nouvel aspect développé dans ce thème concerne les processus de dégazage enregistrés par le fractionnement des éléments volatils.

Textures et inclusions magmatiques. La nucléation est un des facteurs influençant en premier lieu la texture des roches magmatiques. Le projet consistera à étudier ce ce mécanisme de nucléation par des expérimentations et la thermodynamique, et d’évaluer son impact sur la texture des roches cumulatives basiques et ultrabasiques. Quatre grands types de textures seront plus particulièrement étudiés (poikilitique, harissique, adcumulat et péritectique) afin d’apporter des contraintes sur la dynamique de cristallisation des réservoirs magmatiques. Une mise au point d’outils opérationnels permettront l’utilisation des méthodes de la statistique des semis de points pour l’analyse des textures pétrographiques.

La cristallisation dynamique des liquides pegmatitiques. La dynamique de cristallisation d’un système haplogranitique plus ou moins saturé en eau a été étudiée expérimentalement pour déterminer les conditions nécessaires à la reproduction des textures pegmatitiques (ANR Varpeg). Cependant, les fondants présents dans un magma modifient ses propriétés physico-chimiques et vont donc perturber significativement les mécanismes de cristallisation. Le projet va consister à étudier expérimentalement le rôle de fondants sur le développement des textures pegmatitiques en dopant le système synthétique étudié dans le cadre de Varpeg en Li ou en B et en lui imposant les mêmes cycles température-temps. Ce programme expérimental servira à déterminer le rôle joué par les fondants sur les paramètres qui contrôlent la dynamique de cristallisation des pegmatites (degré de surfusion, vitesse de refroidissement) (ANR Transfair).

L’estimation de la durée des processus magmatiques permet de contraindre les temps de transferts et l’évolution thermique et chimique des magmas dans les réservoirs magmatiques. Ces paramètres peuvent être quantifiés par des profils de diffusion chimique et isotopique aux interfaces. Un autre aspect concerne les processus cinétiques liés à l’exsolution et aux dégazages d’éléments volatils (H, C , N, S, F et Cl) lors de la remontée des magmas et des fluides aqueux. Des études expérimentales à haute pression de la diffusion suivant la spéciation des éléments permettront de tracer la mobilité des volatils pendant la décompression.

Participants: Karine Devineau, François Faure, Célia Dalou, Etienne Deloule, Lyderic France, Jean Marc Montel

Comment les liquides migrent de leurs sources profondes à la surface, comment évoluent ils le long de leur trajet, et qu’est ce qui contrôle leur mise en place à différents sites spécifiques, sont des questions qui restent profondément débattues. Nous abordons ces questions dans les zones en extension et dans la lithosphère continentale.

Zones d’extension : nous voulons quantifier les processus de différenciation magmatique, leur cinétique, les processus de transfert asociés, et mieux définir l’organisation de la plomberie magmatique depuis la source mantellique jusqu’aux magmas évolués. Dans l’ophiolite d’Oman nous nous attacherons à étudier en détail la géométrie de drains de liquide identifiés dans le manteau, et l’influence que peut avoir le liquide sur l’orientation des cristaux solides encaissants. En Islande, une étude pétrologique et géochimique cherche à élucider la contribution respective de la fusion partielle de la croûte et de la percolation de liquides de fusion dans la formation de xénolithes de gabbros fondus, et mieux comprendre la cause de l’enrichissement en strontium des basaltes islandais primitifs. En Afar, nous étudions la transition progressive du rifting continental à l’accrétion d’une croûte océanique, et caractériserons les facteurs qui contrôlent la localisation et la segmentation du magmatisme, des racines mantelliques à la surface, en utilisant une approche globale incluant terrain, télédétection, datation des paysages volcaniques, pétrologie et géochimie.

Transfert de liquides dans la lithosphère continentale :

-Partie lithosphérique: L’origine de la lithosphère mantellique sous les continents reste controversée. Bien que le manteau lithosphérique sous les cratons archéens soit froid, épais et réfractaire, celui sous la croûte continentale plus jeune ressemble beaucoup plus à la composition du manteau convectif sous les océans. En utilisant les corrélations entre les rapports isotopiques d’osmium et les indices de fertilité, nos travaux récents vont à l’encontre de l’idée que la composition globale de cette lithosphère soit le produit de la refertilisation répétitive d’un protolithe réfractaire pendant des centaines de millions d’années. En effet, nous avons montré que cette composition a été acquise lors de la formation de la lithosphère non-cratonique, soit directement par des processus de fusion partielle, soit par une refertilisation quasi-concomitant de cette fusion. Nous travaillons actuellement sur une meilleure compréhension du contexte géodynamique dans lequel la lithosphère non-cratonique s’est formée.

-Partie croûte continentale: les modèles d’évolution thermomécanique des chaînes de montagnes mettent en avant le rôle joué par les phénomènes de fusion partielle qui modifieraient profondément le comportement rhéologique de la croûte. La découverte d’hétérogénéités chimiques et isotopiques à petite échelle au sein des granites d’anatexie suggère que les liquides anatectiques sont rapidement extraits de leur source dans la croûte inférieure à moyenne. Nous souhaitons mieux contraindre cette question du temps de résidence des liquides dans la croûte orogénique à partir de l’étude de deux ensembles de migmatites du complexe du Velay (Massif Central français) situés à deux niveaux crustaux distincts (médio- et infra-). Nous cherchons aussi à mieux définir la source des magmas qui alimentent et forment les granites, quantifier les étapes successives qui conduisent à leur différenciation, et fournir une chronologie à très haute résolution de la mise en place, de la différenciation, et finalement de la cristallisation d’un corps granitique. Dans le cadre du projet R21, la cible choisie est celle du granite de Beauvoir, dont le caractère fortement évolué devrait permettre de définir des étapes marquées, et où notre recherche peut aboutir à la compréhension des processus de concentration du lithium, et autres métaux rares. Ces recherches sont complétées par des études minéralogiques et statistiques appliquée à la géologie du massif Central.

Participants: Béatrice Luais, Pierre Bouilhol, Andrey Gurenko, Laurie Reisberg, Emilie Thomassot, Etienne Deloule,Françoise Chalot-Prat