Comportement de l’H lors des processus mantelliques

Les concentrations en H du manteau ont subi des épisodes successifs de fusion et de métasomatisme. On considère n’observer que le dernier épisode n de fusion et un épisode suivant n+1 de métasomatisme. Les concentrations en H des pyroxènes n’étant affectées par le processus secondaire d’extraction par le magma présentent l’avantage d’être un des objets sur lequel baser l’étude du comportement de l’H dans les processus mantelliques. Les éléments en trace tels que les REE dans les cpx sont des marqueurs des deux processus mantelliques principaux, la fusion partielle et le métasomatisme (e.g., Griffin et al., 1996 ; Maury et al., 1992 ; Ionov et al., 1993).

Précédemment, le comportement de l’H a été suggéré similaire à celui de La, Ce (e.g., Dixon et al., 2002). Une telle incompatibilité induit que le dernier épisode de métasomatisme « efface » l’effet de l’épisode précédent de fusion.

VI.2.1 Le métasomatisme

D’une part, Denis et al., 2015 présente pour la première fois les résultats d’une étude multiéléments (majeurs et en trace, dont l’H) d’une suite de xénolites de péridotite en contexte de point chaud en présence de minéraux hydratés (amphibole). Les concentrations en

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D’autre part, l’étude basée sur des xénolites composites associant une péridotite accolée à un agent métasomatique (patch basaltique, filon de pyroxénite à amphibole) a pour originalité d’avoir ciblé l’influence du métasomatisme de petite échelle sur les concentrations en H des NAMs. L’interaction péridotite—basalte-hôte est caractérisée par un rééquilibrage des concentrations en éléments majeurs avec le liquide dans les olivines et les pyroxènes. La diminution des concentrations en H observées dans les olivines en se rapprochant du contact avec le patch basaltique est corrélée avec leurs variations de concentrations en SiO2 et MgO. Plus les olivines sont rééquilibrées avec le liquide moins elles contiennent d’H. Une nouvelle fois, les pyroxènes ne présentent pas les variations de concentration en H aux abords du contact, observées dans l’olivine, alors qu’eux aussi présentent des variations de concentration en éléments majeurs.

Les échantillons présentant des filons (pyroxénite et amphibolite) ont permis l’étude du comportement de l’H lors du métasomatisme d’éponte, où les concentrations en H pour chacune des phases minérales sont homogènes. Cependant, plus les filons contiennent d’amphibole moins il y a d’H dans les NAMs.

Par ailleurs, l’ensemble des résultats acquis pendant cette thèse associé à ceux de la littérature ne montrent aucune corrélation entre la concentration en H et les enrichissements en LREE, ni avec le fractionnement entre les REE légères et moyennes (La/Sm) (Figure VI.4).

Ces observations sont en désaccord avec les études précédentes accordant à l’H un comportement plus proche d’une LREE (entre La et Ce) permettant ainsi à différents auteurs

d’utiliser le rapport H2O/Ce comme marqueur des processus mantelliques (e.g.,

Danyushevsky et al., 2000 ; Dixon et al., 2002 ; Bizimis et Peslier, 2015 ; Peslier et al. 2015).

Figure VI.4 – Concentration en H du cpx en fonction de la concentration en La et le rapport La/Sm du cpx normalisés au manteau primitif (valeurs de normalisation Sun et McDonough, 1989). Croix : (péridotites abyssales) Warren et Haurri, 2014; points gris : (données mondiales péridotites mantelliques) Li et al., 2008 ; Peslier et al., 2006 ; Hao et al., 2014 ; Peslier et Bizimis, 2015 ; triangles vert foncé : massif central français, triangle vert clair : Eifel, Allemagne, triangles orange : Newer volcanic field, Australie ; triangles rouges : Afrique du Nord.

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VI.2.2 La fusion

Le métasomatisme n+1 n’a pas d’effet visible sur les concentrations en H des NAMs, ce qui suggère que les concentrations en H observées sont acquises lors de l’épisode n de fusion. En comparant les concentrations en H avec un marqueur de la fusion partielle (Yb du cpx) l’H semble avoir un comportement similaire à une MREE (D^cpx/liquide(H₂O) ≈ 0,25 ± 0,05 ; e.g., Sm; D^cpx/liquide = 0.29 ; Johnson et al., 1998) (Figure VI.5).

Figure VI.5 – Concentration en H du cpx en fonction de la concentration en Yb du cpx normalisés au manteau primitif (valeurs de normalisation Sun et McDonough, 1989). Voir légende Figure VI.4. losange : Demouchy et al., 2015. Concentration en H du clinopyroxène lors de la fusion à l’équilibre d’après le modèle de Noman, 1998 d’un manteau contenant 18% de clinopyroxène ayant une concentration initiale en H de 700 ppm wt. H2O (ligne) ou 400 ppm wt. H2O (pointillés). La courbe supérieure, pour chaque lithologie, est calculée pour D^cpx/liquide(H₂O) = 0.30 ; courbe inférieure pour D^cpx/liquide(H₂O) = 0.05.

VI.2.3 H et processus mantelliques : une relation complexe.

Une analyse statistique des concentrations en H des NAMs (où l’H est incompatible) de xénolites hors-craton indique que les minéraux des harzburgites contiennent en moyenne plus d’H que ceux des lherzolites (Figure VI.6). Si les concentrations en H des NAMs étaient uniquement liées au taux de fusion subit par la roche, les harzburgites (roches réfractaires) devraient contenir moins d’eau que les lherzolites. Or les harzburgites sont statistiquement

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Les harzburgites sont donc potentiellement plus métasomatisées que les lherzolites. L’effet sur les concentrations en H du métasomatisme ne peut donc être exclu. Des études complémentaires sur les différents types de métasomatisme sont nécessaires pour conclure sur la contribution de ce processus dans le cycle profond de l’eau.

Figure VI.6 – Histogramme de fréquence représentant le nombre d’échantillons des concentrations en fonction de la concentration en H des NAMs des lherzolites, harzburgites, (am-rich. Pdt.) péridotites à amphibole et pyroxénites. (a) pour l’olivine d’après les calibrations de Bell et al., 2003; (b) pour l’orthopyroxène (opx) et (c) pour le clinopyroxène (cpx) d’après la calibration de Bell et al., 1995 ; (Li et al., 2008 ; Peslier et Luhr, 2006 ; Denis et al., 2013 ; Denis et al., 2015, Denis et al., en préparation ; Grant et al., 2007 ; Soustelle et al., 2013 ; Yu et al., 2011).

En résumé, ces travaux de thèse ont montré que :

• Les concentrations en H des olivines sont sensibles à la dévolatilisation lors de la remontée dans le système magmatique et le rééquilibrage avec le magma. Elles ne sont donc pas représentatives des concentrations mantelliques.

• Au contraire, les concentrations en H des pyroxènes, spécialement l’opx, sont très homogènes suggérant que les concentrations mantelliques sont préservées.

• La présence d’amphibole (métasomatisme modal) n’implique pas un enrichissement en H

des NAMs coexistant. Dans ce manteau dit hydraté, l’olivine coexistant avec l’amphibole contient en moyenne moins d’H que dans une péridotite sans amphibole. L’influence de l’H sur les propriétés rhéologiques de la roche est donc moindre dans le cas d’un manteau contenant une faible quantité de minéraux hydratés.

• Le comportement de l’H lors de la fusion partielle et du métasomatisme reste complexe ; cependant nos données suggèrent que l’H suit les MREE tel que le Sm.

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