Fusion à haute pression (P > 1GPa)

Dans le domaine des lherzolites à spinelle (pression comprise entre 1 et 3 GPa environ), l'équation de fusion à pression constante est d'abord de la forme opx + cpx + sp = ol + liquide, puis la courbe de fusion montre un important changement de direction lors de la disparition du clinopyroxène dans le résidu et l'équation devient opx + ol = liquide. L'augmentation de pression provoque une diminution du volume de phase de l'olivine et une expansion du volume de phase de l'orthopyroxène. Les liquides sont donc enrichis en MgO et

1.2. Hypothèses génétiques 49

appauvris en SiO2 (ils se rapprochent du pôle néphéline). Ce déplacement du cotectique olivine - clinopyroxène - orthopyroxène vers le pôle néphéline (vers la gauche, sur la figure 1.18b), est également très net sur la figure 1.18, où les compositions saturées en ol-cpx-opx à 1,5 GPa de Schmidt et al. 2004 sont situées nettement à gauche du cotectique à 1,0 GPa. Les expériences de fusion montrent que le rapport CaO/Al2O3 varie très peu avec la pression (dans la gamme 1-3 GPa), et que les teneurs en CaO diminuent (Falloon et Green 1988, Falloon et al. 1988, Hirose et Kushiro 1993).

cpx 1 GPa CA A C M S M2S CAS2 CMS2 cpx 7 GPa opx 1 GPa opx 7 GPa gt 7 GPa MPY ^KR4003 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 4,0 5,0 6,0^7,0 3,0 MPY KR4003 cpx 1 GPa cpx 7 GPa opx 1 GPa opx 7 GPa gt 7 GPa 7,0 6,0 5,0 4,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0

liquide s ultra ca lcique s appauvris liquide s ultra ca lcique s a lca lins

cristallisation d'olivine

a b

fusion de pyroxénites à grenat à 5 GPa

S (Opx, Qz) CMS₂ (Di) + Ol (M₂S) CA (CaAl+Ne+Ks) CAS₂ (Pl) M₂S (Ol, Opx) CAS₂ (Pl) CMS₂ (Di)

Figure 1.18 Evolution de la composition des liquides produits par fusion de lherzolites en fonction de la pression, entre 0,5 et 7 GPa. Les compositions ont été recalculées en équivalents CMAS, puis projetées par l'olivine (M2S) sur la face CMS2-CA-S (Di-Ne-Qz) du tétraèdre des basaltes (1.18a). La figure 1.18b est une visualisation perpendiculaire sur le plan CAS2-CMS2-M2S (Pl-Ol-Di), "projeté" par SiO2. Les courbes de fusion (traits pleins) ont été interpolées à partir des données de Falloon et Green (1988), Falloon et al. (2001) et Walter (1998) pour deux compositions similaires, MPY et KR4003. Lorsque les données étaient insuffisantes, les courbes ont été partiellement extrapolées (lignes pointillées). Les chiffres à côté des courbes donnent la pression, en GPa. Sont également représentées les compositions des phases résiduelles à 1 GPa (triangles vides) et à 7 GPa (triangles inversés grisés), ainsi que les compositions des liquides ultracalciques appauvris et alcalins (données des figures 1.2 et 1.9) et des MORB (Melson et al. 1999) La flèche sur la figure 1.18a marque la cristallisation fractionnée d'olivine. Les croix noires représentent les liquides de fusion de clinopyroxénites à grenat à 5 GPa (Kogiso et al. 2003).

Dans le domaine des lherzolites à grenat (pression supérieure à 3 GPa), les relations de phases changent radicalement. L'orthopyroxène est maintenant un produit de fusion, alors que l'olivine est consommée, selon une équation du type cpx + gt + ol = liquide ± opx (Longhi

1.2. Hypothèses génétiques 50

2002, Walter 1998). L'aluminium devient en partie compatible car la solubilité des composants alumineux dans les pyroxènes (molécules de Tschermack CaAl2SiO6 et MgAl2SiO6, jadéite, Ca-eskolaite) et la proportion de grenat, phase alumineuse résiduelle, augmentent avec la pression. Par contre, la solubilité du calcium dans le clinopyroxène diminue de façon importante, la teneur en CaO des clinopyroxènes résiduels passe de 15-18 % de CaO à 1 GPa (ex. Baker et Stolper 1994, Falloon et al. 2001) à 6-11% de CaO pour des pressions supérieures à 3 GPa (Walter 1998). Ces changements se traduisent de façon radicale sur les compositions des liquides : les premiers liquides produits sont enrichis en composants diopside et olivine (fig. 1.18a). Les teneurs en CaO décroissent régulièrement avec le taux de fusion, pendant que les teneurs en Al2O3 augmentent, passent par un maximum lors de la disparition du grenat du résidu, puis diminuent. Les comportements de CaO et Al2O3 sont exactement inversés par rapport à la fusion à basse pression. Le rapport CaO/Al2O3 va donc décroître régulièrement avec le taux de fusion et les faibles taux de fusion auront des rapports CaO/Al2O3 très élevés (jusqu'à 1,7, Walter 1998). Il est donc possible de produire des liquides ultracalciques par fusion de lherzolites à pression élevées (P > 3 GPa) et faibles taux de fusion, suivie par un fractionnement d'olivine (Della-Pasqua et Varne 1997 et fig. 1.18). La quantité d'olivine qu'il faudra cristalliser est très importante (jusqu'à ~ 30%), car les liquides produits à haute pression sont très riches en MgO (enrichis en composant olivine). Della-Pasqua et Varne 1997 proposent une cristallisation progressive lors de la remontée des magmas, en raison de l'augmentation du champ de stabilité de l'olivine quand la pression diminue ; les liquides seront ainsi de plus en plus riches en CaO et pourront devenir ultracalciques à basse pression. Dans ce modèle, les liquides sont générés par faibles taux de fusion en présence de grenat résiduel, or pour le grenat (et dans une moindre mesure pour le clinopyroxène), les coefficients de partage des terres rares lourdes sont beaucoup plus élevés que ceux des terres rares légères (ex. Johnson 1998, Gaetani et al. 2003). Les liquides obtenus présenteront donc une signature caractéristique au niveau des éléments en traces, avec un appauvrissement prononcé en terres rares légères, ce qui n'est pas observé dans les liquides ultracalciques étudiés.

A haute pression (P > 3GPa), la fusion des clinopyroxénites à grenat est susceptible de produire des liquides à rapports CaO/Al2O3 et teneurs en CaO élevés (CaO/Al2O3 = 1,0 à 2,1 pour 12,5 à 13,7 % de CaO à 5 GPa, Kogiso et al. 2003). Projetés par l'olivine, les liquides (croix noires sur la figure 1.18) sont assez proches des liquides de fusion de lherzolites à des pressions comparables, en raison de la similitude des équations de fusion, cpx + gt = liquide

1.2. Hypothèses génétiques 51

au lieu de cpx + gt + ol = liquide. D'après cette équation, les liquides obtenus par fusion de clinopyroxénites à grenat à haute pression sont par contre beaucoup plus pauvres en composant olivine que les liquides obtenus par fusion de lherzolites (fig. 1.18a) car ils ne sont pas saturés en olivine : la quantité d'olivine à fractionner pour arriver aux compositions ultracalciques naturelles est donc beaucoup plus faible. Une autre différence se trouve sur les teneurs en TiO2 (1,13-3,13 % de TiO2 pour 13,4-15,3% de MgO à 5 GPa - Kogiso et al. 2003, voir figure 1.12), qui sont nettement plus élevées que dans le cas de la fusion de lherzolites. Kogiso et al. (2003) ont proposé que les basaltes alcalins (§ 1.1.4.3), qui présentent souvent des rapports CaO/Al2O3 élevés et de fortes teneurs en TiO2 soient produits par fusion de clinopyroxénites à grenat à haute pression. Comme dans le cas de la fusion de lherzolites, les liquides obtenus présenteront une signature caractéristique au niveau des éléments en traces, liée à la présence de grenat résiduel, peut-être un peu plus faible car les taux de fusion seront plus élevés.