Academic literature on the topic 'Erosion du manteau lithosphérique'

Breakup between Greenland and Canada resulted in oceanic spreading in the Labrador Sea and Baffin Bay. These ocean basins are connected through the Davis Strait, a bathymetric high comprising primarily continental lithosphere, and the focus of the West Greenland Tertiary volcanic province. It has been suggested that a mantle plume facilitated this breakup and generated the associated magmatism. Plume-driven breakup predicts that the earliest, most extensive rifting, magmatism and initial seafloor spreading starts in the same locality, where the postulated plume impinged. Observations from the Labrador Sea–Baffin Bay area do not accord with these predictions. Thus, the plume hypothesis is not confirmed at this locality unless major ad hoc variants are accepted. A model that fits the observations better involves a thick continental lithospheric keel of orogenic origin beneath the Davis Strait that blocked the northward-propagating Labrador Sea rift resulting in locally enhanced magmatism. The Davis Strait lithosphere was thicker and more resilient to rifting because the adjacent Paleoproterozoic Nagssugtoqidian and Torngat orogenic belts contain structures unfavourably orientated with respect to the extensional stress field at the time.RÉSUMÉLa cassure entre le Groenland et le Canada a entraîné une expansion océanique de la mer du Labrador et de la baie de Baffin. Ces bassins océaniques sont reliés par le détroit de Davis, un haut bathymétrique constitué principalement de lithosphère continentale et de la province volcanique tertiaire de l'ouest du Groenland. Il a été suggéré qu'un panache du manteau a facilité cette cassure et généré le magmatisme associé. L’hypothèse d’une cassure produite par panache du manteau prédit que la première distension océanique, la plus importante, le magmatisme et l'expansion océanique initial se produisent là où le panache mantélique touche la croûte continentale. Or les observations dans la région de la mer du Labrador–baie de Baffin ne correspondent pas à ces prédictions. Et donc l'hypothèse du panache ne fonctionne pas dans cette région à moins que des facteurs ad hoc déterminants ne soient présents. Un modèle qui correspond mieux aux observations présuppose la présence d’une épaisse quille lithosphérique continentale d'origine orogénique sous le détroit de Davis qui aurait bloqué l’expansion océanique de la mer du Labrador vers le nord, ce qui aurait provoqué une augmentation du magmatisme localement. La lithosphère du détroit de Davis était plus épaisse et plus résistante à l’expansion océanique parce que les bandes orogéniques paléoprotérozoïques du Nagssugtoqidian et de Torngat renferment des structures défavorablement orientées par rapport au champ de contraintes d’extensions de l'époque.

SUMMARYThe Repulse Bay block (RBb) of the southern Melville Peninsula, Nunavut, lies within the Rae craton and exposes a large (50,000 km2) area of middle to lower crust. The block is composed of ca. 2.86 Ga and 2.73–2.71 Ga tonalite-trondhjemite-granodiorite (TTG) and granitic gneiss that was derived from an older 3.25 and 3.10 Ga crustal substrate. This period of crustal generation was followed by the emplacement of ca. 2.69–2.66 Ga enderbite, charnockite, and granitoid intrusions with entrained websterite xenoliths. These voluminous batholith-scale bodies (dehydrated and hydrated intrusions), and the associated websterite xenoliths, have similar whole rock geochemical properties, including fractionated light rare earth element (LREE)–heavy (H)REE whole rock patterns and negative Nb, Ti, and Ta anomalies. Dehydrated intrusions and websterite xenoliths also contain similar mineralogy (two pyroxene, biotite, interstitial amphibole) and similar pyroxene trace element compositions. Based on geochemical and mineralogical properties, the two lithologies are interpreted to be related by fractional crystallization, and to be the product of a magmatic cumulate processes. Reworking of the crust in a ca. 2.72 Ga subduction zone setting was followed by ca. 2.69 Ga upwelling of the asthenospheric mantle and the intrusion of massif-type granitoid plutons. Based on a dramatic increase in FeO, Zr, Hf, and LREE content of the most evolved granitoid components from the 2.69–2.66 Ga cumulate intrusion, we propose that those granitoid plutons were in part derived from a metasomatized mantle source enriched by fluids from the subducting oceanic slab that underwent further hybridization (via assimilation) with the crust. Large-scale, mantle-derived Neoarchean sanukitoid-type magmatism played a role in the development of a depleted lower crust and residual sub-continental lithospheric mantle, a crucial element in the preservation of the RBb.RÉSUMÉLe bloc de Repulse Bay (RBb) dans le sud de la péninsule de Melville, au Nunavut, est situé dans le craton de Rae et expose une large zone (50 000 km2) de croûte moyenne à inférieur. Ce bloc est composé de tonalite-trondhjémite-granodiorite (TTG) daté à ca. 2,86 Ga et 2,73–2,71 Ga, et de gneiss granitique dérivé d’un substrat crustal plus ancien daté à 3,25 Ga et 3,10 Ga. Cette période de croissance crustale a été suivie par la mise en place entre ca. 2,69 et 2,66 Ga d’intrusions d’enderbite, charnockite et de granitoïde incluant des xénolites d’entraînement de websterite. Ces intrusions de taille batholitique (intrusions déshydratées et hydratées) ainsi que les xénolites d’entraînement de websterite associés, ont des propriétés géochimiques sur roche totale semblables notamment leurs profils de fractionnement des terres rares légers (LREE) et des terres rares lourds (HREE) ainsi que leurs anomalies négatives en Nb, Ti et Ta. Les intrusions déshydratées et les xénolites de websterite ont aussi des minéralogies similaires (deux pyroxènes, biotite, amphibole interstitielle) ainsi que des compositions semblables en éléments traces de leurs pyroxènes. Étant donné leurs propriétés géochimiques et minéralogiques, ces deux lithologies sont interprétées comme provenant d’une cristallisation fractionnée, et comme étant le produit de processus d'accumulations magmatiques. Le remaniement de la croûte dans un contexte de subduction vers ca. 2,72 Ga, a été suivi vers ca. 2,69 Ga d’une remontée du manteau asthénosphérique et de l’intrusion de granitoïdes de type massif. D'après l’importante augmentation en FeO, Zr, Hf et LREE dans les granitoïdes les plus évolués du magmatisme ayant pris place entre ca. 2,69 Ga et 2,66 Ga, nous proposons que ces plutons aient été en partie dérivés d’une source mantélique métasomatisée enrichies par des fluides d’une plaque océanique en subduction et qui a subi une hybridation supplémentaire (par assimilation) avec la croûte. Le magmatisme néo-archéen de type sanukitoïde, dérivé du manteau et de grande échelle, a joué un rôle dans le développement d’une croûte inférieure et d’un manteau lithosphérique continental résiduel appauvri, un élément déterminant pour la préservation du RBb.

Incompatible elements and isotopic ratios identify three end-member mantle components in oceanic island basalt (OIB); EM1, EM2, and HIMU. We estimate compatible to mildly incompatible transition metal abundance trends (Ni, Co, Fe, Cu, Cr, V, Mn, Sc, and Zn) in “primitive” basalt suites (Mg# = Mg/(Mg + 0.9*Fe) atomic = 0.72) from 12 end-member oceanic islands by regressing metals against Fe/Mg ratios in sample suites, and solving for concentrations at Mg/Fe = 1 (Mg# = 0.72). Using the transition metal estimates, exploratory statistics reveal that islands ‘group’ based on mantle component type even when La/Yb ratios are used to compensate metal concentrations for percentage melting. Higher chalcophile Zn (and Pb, earlier work) in EM1 and EM2 compared to HIMU, and higher Cr (3+) and Sc in HIMU relative to EM1, support views that HIMU represents subduction-processed ocean floor basalt. Incompatible elements, ratios and isotopes indicate that EM1 is Archean, EM2 is Proterozoic or younger, and both are related to sediment subduction. As found with incompatible elements, EM1 and EM2 show similar ‘compatible’ element concentrations, but lower (multi-valence) Cr, Fe and Mn in EM1 could indirectly reflect increasing oxidation of subducted sediment between the Archean and Proterozoic. Alternatively, changes in subduction processes that yielded peak continental formation in the Neoarchean, and craton-suturing in the Paleoproterozoic may account for EM1–EM2 differences. EM1 shows similar or lower Cr, Ni and Co compared to HIMU and EM2 suggesting that economic viability of layered intrusions, which have extreme EM1-like signatures, is unrelated to high metals in EM1 mantle sources, but that high % melting appears important. Because core-concentrated transition metals correlate with mantle component type, lithospheric recycling apparently controls their concentrations in OIB and core-mantle interaction may be unimportant.RÉSUMÉLes éléments incompatibles et les rapports isotopiques permettent de délimiter trois termes extrêmes de composants mantéliques dans des basaltes insulaires océaniques (OIB), soit EM1, EM2, et HIMU. Nous estimons les tendances d’abondance de métaux de transition (Ni, Co, Fe, Cu, Cr, V, Mn, Sc, and Zn) compatibles à modérément incompatibles dans des suites de basaltes « primitifs » (Mg# = Mg/(Mg + 0,9*Fe) rayon atomique = 0,72) sur 12 termes extrêmes de matériaux insulaires océaniques, par régression des concentrations des métaux sur les rapports Fe/Mg dans des échantillons des suites, la détermination étant définie au rapport Mg/Fe = 1 (Mg# = 0,72). L’utilisation d’une approche statistique exploratoire sur les estimations de métaux de transition montre que la composition des îles se « regroupent » en fonction du type de composition du manteau, cela même lorsque les ratios La/Yb sont utilisés pour compenser les concentrations de métaux pour déterminer le pourcentuel de fusion. Le caractère plus chalcophile du Zn (et Pb, travail antérieur) dans EM1 et EM2 comparé à HIMU, et la plus grande teneur en Cr (3+) et Sc dans HIMU par rapport à EM1, accréditent l’idée que HIMU représente le basalte de subduction des fonds océaniques. Les éléments incompatibles, les ratios et les isotopes montrent que EM1 est archéen, que EM2 est protérozoïque ou plus jeune, et que les deux sont liés à la subduction sédimentaire. Comme constaté pour les éléments incompatibles, EMI et EM2 affichent une compatibilité similaire des concentrations en éléments « compatibles », toutefois une concentration inférieure en Cr (multivalent), Fe et Mn dans EM1 pourrait refléter indirectement une oxydation croissante des sédiments subduits entre l’Archéen et le Protérozoïque. Par ailleurs, les changements dans les mécanismes de subduction qui ont mené à un maximum de formation continentale au Néoarchéen et à des épisodes de sutures cratoniques au Paléoprotérozoïque, peuvent expliquer les différences entre EM1 et EM2. La teneur similaire ou inférieure en Cr, Ni et Co de EM1 par rapport à HIMU et EM2 permet de croire que la viabilité économique des intrusions stratifiées – lesquelles montrent des signatures extrêmes EM1 – est sans rapport avec les sources mantéliques à fortes teneurs en métaux, mais que le fort pourcentuel de fusion qui importerait. Parce que la concentration du noyau en métaux de transition correspond avec le type de composant du manteau, c’est le recyclage lithosphérique qui contrôle apparemment leurs concentrations dans l'OIB, et l'interaction noyau-manteau pourrait être sans importance.

Foreland magmatism occurs in the lower plate during arc–continent or continent–continent collision, although it is uncommon. Ancient examples are recognized by a stratigraphic section into which mafic lavas and/or shallow sills are emplaced at a level at the top of a passive margin cover sequence, or within the overlying deeper water deposits that include mudrocks and flysch-type turbidites. Extensional structures associated with the emplacement of the volcanic rocks may develop slightly prior to or contemporaneous with the arrival of the approaching thrust front. We have selected twelve examples of magmatism in collisional forelands, modern and ancient, and have compared the tectonic associations of the magmatism with the magmatic geochemistry. Foreland magmatic settings fall into two strikingly distinct geochemical groups: a more enriched alkaline group (Rhine-type) and a more heterogeneous tholeiitic group (Maine-type) that may show traces of prior subduction processes. In the examples where the contemporaneous extensional structures are known, faults and basins develop parallel to the thrust front for the tholeiitic group and have oblique orientations, in several cases at a high angle to the thrust front, for the alkaline group. The geochemical results are quite sufficiently distinct to permit discrimination of these two foreland magmatic rock suites from each other in ancient examples where the foreland setting is clear from geological evidence. However, magmatic products of the same range of compositions can be generated in other tectonic environments (rifts, back-arc basins), so the geochemical characteristics alone are insufficient to identify a foreland basin setting. The alkaline Rhine-type group formed primarily in response to localized upwelling convective activity from the sub-asthenospheric mantle beneath the lower plate during collision while the tholeiitic Maine-type group formed primarily in response to melting of subcontinental asthenospheric mantle during extension of the lower plate by slab pull, and resulting lithospheric detachment. It is possible that there has been a long-term secular decrease in the occurrence of the Maine-type foreland magmatism since the early Proterozoic.RÉSUMÉBien que peu fréquent, il arrive qu’un magmatisme d’avantpays se produise dans la plaque inférieure durant une collision arc-continent ou continent-continent. Des exemples anciens ont été décrits dans une coupe stratigraphique renfermant des laves mafiques et/ou des filons-couches au haut d’une séquence de couverture de marge passive, ou au sein de dépôts de plus grandes profondeurs comme des boues ou des turbidites de type flysch. Des structures d’étirement associées à la mise en place des roches volcaniques peuvent se développer un peu avant ou en même temps que l’arrivée du front de chevauchement. Nous avons choisi douze exemples de magmatisme au sein d’avant-pays de collision, modernes et anciens, et nous avons comparé les associations tectoniques du magmatisme avec la géochimie magmatique. Les configurations magmatiques d’avant-pays se divisent en deux groupes géochimiques très différents : un groupe alcalin plus enrichi (type-Rhin), et un groupe tholéiitique plus hétérogène (type-Maine) et qui peut montrer des traces de précédentes activités de subduction. Dans les exemples où les structures d’étirement contemporaines sont connues, les failles et les bassins se développent parallèlement au front de chevauchement pour le groupe tholéiitique, alors que leurs orientations sont obliques, voire à angles aigus au front de chevauchement pour le groupe alcalin. Les résultats géochimiques sont suffisamment distincts pour permettre de distinguer ces deux suites de roches magmatiques dans les exemples anciens où la configuration d’avant-pays est évidente de par sa géologie. Cependant, des produits magmatiques de même type compositionnel peuvent advenir dans d’autres environnements tectoniques (fosses, bassins d’arrière-arc), et donc, la caractérisation géochimique seule ne permet pas de distinguer une configuration de bassin d’avant-pays. Le groupe alcalin de type-Rhin s’est principalement formé en réponse à une activité d’éruption de convection issue du manteau sous-asthénosphérique sous la plaque inférieure durant la collision, alors que le groupe tholéiitique de type-Maine s’est formé principalement en réaction à la fusion du manteau sous-continental asthénosphérique durant l’extension de la plaque inférieure par étirement de la plaque, et le détachement lithosphérique qui en découle. Depuis le Protérozoïque, est possible qu’il y ait eu une décroissance progressive à long terme des événements magmatiques de type-Maine.

The Birchy Complex of the Baie Verte Peninsula, northwestern Newfoundland, comprises an assemblage of mafic schist, ultramafic rocks, and metasedimentary rocks that are structurally sandwiched between overlying ca. 490 Ma ophiolite massifs of the Baie Verte oceanic tract and underlying metasedimentary rocks of the Fleur de Lys Supergroup of the Appalachian Humber margin. Birchy Complex gabbro yielded a Late Ediacaran U–Pb zircon ID–TIMS age of 558.3 ± 0.7 Ma, whereas gabbro and an intermediate tuffaceous schist yielded LA–ICPMS concordia zircon ages of 564 ± 7.5 Ma and 556 ± 4 Ma, respectively. These ages overlap the last phase of rift-related magmatism observed along the Humber margin of the northern Appalachians (565–550 Ma). The associated ultramafic rocks were exhumed by the Late Ediacaran and shed detritus into the interleaved sedimentary rocks. Psammite in the overlying Flat Point Formation yielded a detrital zircon population typical of the Laurentian Humber margin in the northern Appalachians. Age relationships and characteristics of the Birchy Complex and adjacent Rattling Brook Group suggest that the ultramafic rocks represent slices of continental lithospheric mantle exhumed onto the seafloor shortly before or coeval with magmatic accretion of mid-ocean ridge basalt-like mafic rocks. Hence, they represent the remnants of an ocean – continent transition zone formed during hyperextension of the Humber margin prior to establishment of a mid-ocean ridge farther outboard in the Iapetus Ocean. We propose that microcontinents such as Dashwoods and the Rattling Brook Group formed as a hanging wall block and an extensional crustal allochthon, respectively, analogous to the isolation of the Briançonnais block during the opening of the Alpine Ligurian–Piemonte and Valais oceanic seaways.SOMMAIRELe complexe de Birchy de la péninsule de Baie Verte, dans le nord-ouest de Terre-Neuve, est constitué d’un assemblage de schistes mafiques, de roches ultramafiques et de métasédiments qui sont coincés entre des massifs ophiolitiques d’ascendance océanique de la Baie Verte au-dessus, et des métasédiments du Supergroupe de Fleur de Lys de la marge de Humber des Appalaches en-dessous. Le complexe de gabbro de Birchy a donné une datation U-Pb sur zircon ID-TIMS correspondant à la fin de l’Édiacarien, soit 558,3 ± 0,7 Ma, alors qu’un gabbro et un schiste tufacé intermédiaire montrent une datation LA-ICP-MS Concordia sur zircon de 564 ± 7,5 Ma et 556 ± 4 Ma, respectivement. Ces datations chevauchent la dernière phase de magmatisme de rift observée le long de la marge Humber des Appalaches du Nord (565-550 Ma). Les roches ultramafiques associées ont été exhumées vers la fin de l’Édiacarien et leurs débris ont été imbriqués dans des roches sédimentaires. Les psammites de la Formation de Flat Point susjacente ont donné une population de zircons détritiques typique de la marge laurentienne de Humber des Appalaches du Nord. Les relations chronologiques et les caractéristiques du complexe de Birchy et du groupe de Rattling Brook adjacent, permettent de penser que ces roches ultramafiques pourraient être des écailles de manteau lithosphérique continental qui auraient été exhumées sur le plancher océanique peu avant ou en même temps que l’accrétion magmatique de roches mafiques basaltiques de type dorsale médio-océanique. Par conséquent, elles seraient des vestiges d’une zone de transition océan-continent formée au cours de l’hyper-extension de la marge de Humber avant l’apparition d’une dorsale médio-océanique plus loin au large dans l’océan Iapétus. Nous proposons que des microcontinents comme de Dashwoods et du groupe de Rattling Brook ont constitués respectivement un bloc de toit et un allochtone crustal d’extension, de la même manière que le bloc Briançonnais a été isolé lors de l’ouverture des bras océaniques alpins de Ligurie-Piémont et de Valais.

In northwest Donegal, Ireland, a large number of coeval appinitic (hornblende-plagioclase-rich) plutons and lamprophyre dykes occur around the Ardara pluton, a granitic satellite body and one of the oldest phases of the ca. 428–400 Ma composite Donegal Batholith. The appinite units form a bimodal (mafic–felsic) suite in which hornblende is the dominant mafic mineral and typically occurs as large prismatic phenocrysts within a finer grained matrix. Lamprophyre dykes are mafic in composition with a geochemistry that is very similar to that of the mafic appinite bodies. Both mafic rocks are subalkalic, with calc-alkalic and tholeiitic tendencies, and show trace element abundances indicating that the mantle source was contaminated by subduction zone fluids. 40Ar/39Ar analysis of hornblende separated from two samples of appinite yield mid-Silurian (434.2 ± 2.1 Ma and 433.7 ± 5.5 Ma) cooling ages that are interpreted to closely date the time of intrusion. Hence, according to the available age data, the appinite bodies slightly predate, or were coeval with, the earliest phases of the Donegal Batholith. Sm–Nd isotopic analyses yield a range of initial εNd values (+3.1 to –4.8 at t = 435 Ma) that, together with trace element data, indicate that the appinitic magmas were likely derived from melting of metasomatized sub-continental lithospheric mantle and/or underplated mafic crust, with only limited crustal contamination during magma ascent. The appinitic intrusions are interpreted to have been emplaced along deep-seated crustal fractures that allowed for mafic and felsic magma to mingle. The magmas are thought to be the products of collisional asthenospheric upwelling associated with the closure of Iapetus and the ensuing Caledonian orogeny, either as a result of an orogen-wide delamination event or as a consequence of more localized slab break-off.RÉSUMÉDans le nord-ouest du Donegal, en Irlande, un grand nombre de plutons appinitiques (riches en hornblendes ou en plagioclases) et de dykes de lamprophyres contemporains se retrouvent autour du pluton d’Ardara, un corps satellite granitique et l’une des phases les plus anciennes du batholite composite de Donegal, âgé d’environ 428–400 Ma. Les unités de l’appinite forment une suite bimodale (mafique–felsique) dans laquelle la hornblende est le minéral mafique dominant et se présente généralement sous forme de grands phénocristaux prismatiques au sein d’une matrice à grains plus fins. Les dykes de lamprophyres ont une composition mafique dont la géochimie est très similaire à celle des corps d’appinite mafique. Les deux roches mafiques sont subalcaliques, avec des tendances calcoalcalines et tholéiitiques, et elles montrent des teneurs en éléments traces indiquant que la source du manteau a été contaminée par des fluides de zone de subduction. L'analyse 40Ar/39Ar des hornblendes provenant de deux échantillons d'appinite donne des âges de refroidissement du Silurien moyen (434,2 ± 2,1 Ma et 433,7 ± 5,5 Ma) qui sont interprétés comme étant proches de la date de l’intrusion. Par conséquent, selon les données d’âge disponibles, les corps d’appinite sont légèrement antérieurs ou contemporains des toutes premières phases du batholite de Donegal. Les analyses isotopiques Sm–Nd aboutissent à une gamme de valeurs εNd initiales (+3,1 à -4,8 à t = 435 Ma) qui, associées aux données des éléments traces, indiquent que les magmas appinitiques sont probablement dérivés de la fusion d'un manteau lithosphérique souscontinental métasomatisé et / ou d’une croûte mafique sousplaquée, avec une contamination crustale limitée lors de l'ascension du magma. Les intrusions appinitiques sont interprétées comme s'étant mises en place le long de fractures profondes de la croûte qui ont permis au magma mafique et au magma felsique de se mélanger. On pense que les magmas sont les produits de la remontée (upwelling) asthénosphérique collisionnelle associée à la fermeture de l’océan Iapetus et à l'orogenèse calédonienne qui s'ensuit, soit à la suite d'un délaminage à l'échelle de l'orogène, soit à la suite d'une rupture plus localisée de la plaque.

Les zonations minérales sont extrêmement rares dans les assemblages du manteau supérieur lithosphérique. Il s'agit en effet de domaine de haute-température où la diffusion est efficace. Le clinopyroxène, un des constituants essentiels des éclogites, peut cependant montrer des gradients de concentration important des éléments Al-Si-Mg. Ceci a été observé dans un xénolithe d'éclogite issu du pipe kimberlitique de Roberts Victor en Afrique du Sud ainsi que dans un lit de Webstérite à grenat dans des écailles de péridotites alpines (Freychinède Pyrénées française). Dans les deux cas ces hétérogénéités de composition dans le clinopyroxène sont associées à des exsolutions de grenat et reflètent un refroidissement isobare à partir de températures initialement élevées (1400-1300°C). Des expériences de diffusion effectuées en laboratoire sur la paire dioside - molécule de Tschermak ont montré que l'interdiffusion des éléments Al-Si était très lente. Il a fallu en effet mettre en œuvre des techniques de microanalyse nucléaire au pouvoir de résolution spatiale suffisamment fin pour que des profils de diffusion de l'ordre de la centaine d'angstrom puissent être mesurés. Le coefficient obtenu grâce à l'utilisation de la réaction nucléaire résonante 27 Al(p,ϒ,)28Si est le suivant D(cm2/s) = 1. 4 10 -7 exp(64/RT). Il s'agit jusqu'à présent du plus petit coefficient mesuré dans les clinopyroxènes. La lenteur de diffusion de l'aluminium expliquerait donc pourquoi, même à haute température, l'exsolution du grenat impliquant un transfert Al-Si est bloquée en cours d'évolution. Ces données de diffusion étant connues, il est alors possible par l'intermédiaire de modèles, d'accéder aux conditions de refroidissement de la roche hôte à partir de la forme des gradients de concentrations préservés dans le pyroxène. Dans le xénolithe éclogitique comme dans le lit de pyroxénite, il a ainsi été possible de montrer que le refroidissement se faisait au moins en deux étapes : une première rapide de l'ordre de 400°C/My suivie d'une seconde beaucoup plus lente entre 40 et 4°C/My. De telles conditions indiquent que les roches se sont refroidies à partir d'un liquide. La mémoire chimique du manteau supérieur lithosphérique serait ainsi le clinopyroxène alumineux et non le grenat pour les raisons suivantes :-les solutions solides impliquant les espèces tétraédriques dont la diffusion est très lente sont uniquement possibles dans le clinopyroxène. Par conséquent la migration de Al et de Si peut donner lieu à des gradients de concentrations mesurables alors que dans le grenat ces deux espèces ont leur concentration fixée par la stoechiométrie du minéral. -le clinopyroxène dans lequel l'aluminium est à la fois octaédrique et tétraédrique est un minéral ubiquiste qui centralise les transferts d'aluminium. Le grenat au contraire dont l'aluminium est restreint aux sites octaédriques n'est stable qu'à haute pression. Dans l'asthénosphère par contre les travaux expérimentaux ont montré que le pyroxène se dissolvait progressivement dans le grenat au-delà de 100 kbar. Ces mêmes grenats remontés aux profondeurs d'échantillonnage moyen d'une kimberlite (200km) devraient montrer en sens inverse des exsolutions de pyroxènes. Des grenatites remontées par le pipe de Jagersfontain en Afrique du sud montrent de telles figures. Il s'agirait des roches les plus profondes actuellement observables en surface faisant du grenat la mémoire possible de l'asthénosphère.

Cette étude est basée sur la collection la plus complète d'éclogites cratoniques (> 180 nodules), provenant des cratons sibériens et sud-africains.Les éclogites non-métasomatisés de type IIA sont plus magnésiennes, enrichis en LREE, avec des valeurs de δ18O, de 3,7-7,5 ‰, des anomalies positives en Sr et correspondant à une couche à basse pression-température (PT). La composition de la roche totale est un protolithe basaltique. Les éclogites de type IIB sont plus sodiques et alumineux, appauvris en terres rares, avec des valeurs de δ18O de 2,3-3,6 ‰, correspondant à l'équilibre à haute PT. La composition de la roche totale correspond au protolithe pyroxénitique. Les éclogites à coésite, disthène ou corindon ont des clinopyroxènes riches en jadéite, avec des anomalies positives en Eu et Sr et des grenats riches en grossulaire, avec des anomalies positive en Eu et négatives en Sr. Les estimations de PT indiquent que les éclogites à co-ky-cor ont été équilibrées dans la partie la plus basse de la quille cratonique et la composition de la roche totale correspondant à un protolithe gabbroïque très appauvri, cohérente avec la subduction d'une séquence basaltique à websteritique d'une croûte océanique altérée, appauvrie en éléments incompatibles.L'estimation minimum d'eau dans l'omphacite d'Obnazhennaya est de ~930-1410 ppm d'H20 et pour la roche totale de ~310-890 ppm H2O, significativement supérieures aux péridotites environnantes. Ainsi, les éclogites du manteau peuvent être un important réservoir d'eau à la base de la racine cratonique, avec des conséquences majeures pour la longévité de la quille cratonique, la rhéologie du manteau et pour le cycle global de l'eau
This study is based on the most complete existing collection of cratonic eclogites (> 180 nodules), from the Siberian and South African cratons. Non-metasomatized Type IIA eclogites are typically more magnesian, LREE-enriched, with δ18O values of 3.7-7.5 ‰, positive Sr anomalies and corresponding to a low pressure-temperature (PT) layer. The whole-rock composition is consistent with a basaltic protolith. Type IIB eclogites are morsodic and aluminous, LREE-depleted, with δ18O values of 2.3-3.6‰, corresponding to equilibrium at high-PT. The whole-rock trace element composition is consistent with a pyroxenitic protolith. Coesite, kyanite and corundum-bearing eclogites ypically have jadeite-rich clinopyroxenes witlpositive Eu and Sr anomalies and grossular-rich gamets with corresponding positive Eu and negative Sr anomalies. PT-estimates indicate coe-kycor-bearing eclogites equilibrated in the lowermost part of the cratonic keel and reconstructed whole-rock trace element composition corresponds to a very depleted gabbroic protolith. This is consistent with the subduction of a hydrothermally altered, basaltic to websteritic sequence of an incompatible-element-depleted oceanic crust.Calculated water content of omphacite is a minmum estima te of ~930-1410 ppm by weight H2O and reconstructed estimates for whole-rock watercontent ~310-890 ppm HO) for the Obnazhennaya eclogites are significantly higher than those of the surrounding peridotites. Thus, mantle eclogite may be an important water reservoir at the base of the cratonic root, with major consequences for cratonic keel, longevity mantle rheology and global water cvcle

L'altération hydrothermale du manteau lithosphérique dans les dorsales médio-océaniques fournit un mécanisme de transfert de chaleur et de masse entre la terre profonde et l'océan recouvrant. Le manteau lithosphérique est constituée de roches ultramafiques, également appelées péridotites. Ils comprennent plus de 70% d'olivine, de pyroxènes associés et de phases minérales mineures. La percolation de l'eau de mer dans le socle ultramafique produit l'altération de l'olivine et des pyroxènes en serpentine par le processus de serpentinisation et il est associé à des réactions d'oxydation et de carbonatation (lorsque le CO2 est présent dans le fluide). Le processus de serpentinisation présente un intérêt particulier pour la production de H2, le stockage du CO2, le développement de la vie et la production de gisements de minerai économiquement intéressants concentrés dans les fumeroles hydrothermaux. La durabilité et l'efficacité des réactions nécessitent la pénétration et le renouvellement des fluides à l'interface fluide-minéral. Les failles et les fractures des détachements océaniques sont les zones hautement perméables qui permettent à l'eau de mer de pénétrer profondément dans le manteau lithosphérique. Cependant, le processus de serpentinisation conduit à la précipitation de minéraux de faible densité qui peuvent remplir le réseau poreux, colmatant les chemins d'écoulement qui peuvent modifier les propriétés hydrodynamiques et la réactivité des roches réagi.Ces travaux de thèse visent à améliorer la compréhension des effets en retour des réactions sur les propriétés hydrodynamique du milieu dans les zones hautement perméables au cours des premières étapes de l'altération du socle ultramafique. Il se concentre en particulier sur les changements de texture et les réactions chimiques des roches ultramafiques en évaluant les effets du (i) débit et (ii) des fluides salins riches en CO2. Deux séries d'expériences de percolation réactive ont été réalisées à T = 170-190°C et P = 25MPa. La première série d'expériences consistait à injecter de l'eau de mer dans des échantillonnes de poudre d'olivine compressé sur une large gamme de débits constants. La tomographie par rayons X de haute résolution a été acquise avant et après l'expérience avec des débits élevés; afin d'évaluer les changements dans la microstructure de la roche lors de la réaction de serpentinisation. La deuxième série d'expériences consistait à injecter des fluides salins riches en CO2 dans des échantillonnes de péridotite fracturés mécaniquement.Les résultats ont permis de différencier: (1) un contrôle du débit du flux à l'échelle du pore peut contrôler la composition du fluide local et le développement de différents chemins de réaction à l'échelle de l'échantillon. (2) Le développement de différentes chemins réactifs et les changements de texture dans la roche dépend de la concentration de CO2 dissous dans la solution. (3) La formation de minéraux carbonatés (MgCO3) peut stocker du CO2 sous forme stable de minéral à long terme. (4) Un contrôle de la concentration de CO2 dissous dans le fluide et du réseau de fractures peut améliorer / limiter l'efficacité du stockage de CO2 dans les réservoirs de péridotite fracturés.Ces nouvelles données suggèrent un contrôle complexe de la structure des roches ultramafiques dans le processus de serpentinisation et fournissent de nouvelles perspectives pour le stockage potentiel du CO2 dans les réservoirs fracturés à la péridotite
The hydrothermal alteration of the mantle lithosphere at mid-ocean ridges provides a mechanism for transferring heat and mass between the deep Earth and the overlaying ocean. The mantle lithosphere is constituted by ultramafic rocks, also called Peridotites. They comprise more than 70% of olivine, associated pyroxenes and minor mineral phases. The percolation of seawater into the ultramafic basement produces the alteration of olivine and pyroxenes to serpentine through the so-called serpentinization process and is associated to oxidation and carbonation reactions, the later when CO2 is present. The serpentinization process has special interest on H2 production, CO2 storage, development of life, and the production of economically valuable ore-deposits concentrated at hydrothermal vents. The sustainability and efficiency of the reactions requires penetration and renewal of fluids at the mineral-fluid interface. Oceanic detachment faults and fractures are the highly permeable zones allowing seawater derived fluids to penetrate deeply into the mantle lithosphere. However, the serpentinization process lead to the precipitation of low density minerals that can fill the porous network, clogging flow paths efficiently that may in turn modify the hydrodynamic properties and the reactivity of the reacted rocks.This PhD thesis aims at better understanding the feedback effects of chemical reactions on the hydrodynamic rock properties occurred on highly permeable zones during the earliest stages of alteration of the ultramafic basement. It focuses in particular on the changes in texture and chemical reaction paths of ultramafic rocks by assessing the effects of (i) flow rate and (ii) CO2-rich saline fluids. Two suite of reactive percolation experiments were performed at T=170-190°C and P=25MPa. The first suite of experiments consisted in injecting artificial seawater into porous compressed olivine powder cores over a wide range of constant flow rates. X-Ray µ-tomography of high resolution was acquired before and after the experiment run with high flow rates; in order to evaluate the micro-structural changes of the rock occurred during the serpentinization reaction. The second suite of experiments consisted in injecting CO2-rich saline fluids into peridotite cores mechanically fractured.The results allowed us to differentiate: (1) That, a control of flow infiltration rate at the pore-scale can control the local fluid compositions and the development of different reaction paths at the sample-scale. (2) The development of different reaction paths and textural changes in the rock depends on the concentration of CO2 dissolved in solution. (3) The formation of carbonate minerals (MgCO3) can store CO2 in a form of stable mineral at long-term. (4) A control of the concentration of dissolved CO2(g) and the fracture network can enhance/limit the efficiency of CO2-storage in peridotite fractured reservoirs.These new supporting data suggest a complex control of the structure of the ultramafic rocks in serpentinization process and provides new insights for the potential CO2-storage in peridotite fractured reservoirs

Cette étude vise caractériser le manteau lithosphérique du massif du Hoggar (Algérie) et son évolution, grâce à une étude multidisciplinaire (pétrologique, géochimique et pétrophysique) d'enclaves mantelliques échantillonnées par le volcanisme cénozoïque. L'échantillonnage provient de deux districts volcaniques (Tahalagha et Manzaz) situés respectivement en périphérie et au coeur du bombement du Hoggar. Le district de Tahalgha est par ailleurs situé à cheval sur un grand cisaillement pan-africain (le 4°35), séparant deux domaines structuraux majeurs du socle du Hoggar : le Hoggar Central Polycyclique à l'Est (domaine LATEA) et le Hoggar occidental à l'Ouest (bloc d'Iskel). Les xénolites étudiés apportent des informations sur l'évolution du manteau lithosphérique depuis l'orogenèse pan-africaine, au cours de laquelle s'est structuré le socle de cette région (le Bouclier Touareg), jusqu'aux événements cénozoïques responsables du bombement topographique et du volcanisme.L'héritage pan-africain est essentiellement préservé dans les échantillons du district périphérique de Tahalgha, sous la forme de lherzolites équilibrées à basse température (750 - 900°C), à clinopyroxènes appauvris en terres rares légères. Ces échantillons sont considérés comme représentant la lithosphère sous-continentale à l'issue des processus de réjuvénation qui ont marqué les derniers stades de l'orogenèse pan-africaine. Ils montrent des textures de déformation (porphyroclastiques à equigranulaires) bien préservées, attribuées à ces événements et caractérisées par des orientations cristallographiques préférentielles (OPRs) de l'olivine (axiales-[010]) compatibles avec un régime transpressif. Les événements cénozoïques sont marqués par un recuit partiel de ces textures, particulièrement prononcé à Manzaz et dans les échantillons de Tahalgha équilibrés à des températures moyennes à élevées (900-1150°C), et affectés par différents degrés de métasomatisme. Les xénolites de Tahalgha représentent un cas d'étude exemplaire du métasomatisme mantellique, couplant variations texturales, minéralogiques et chimiques le long de gradient locaux de température. Une modification des OPRs d'olivine est observée, qui résulterait à la fois de l'infiltration de liquides métasomatiques et d'une réactivation des accidents pan-africains en cisaillement pur.Des implications importantes de cette étude résident dans l'échelle des variations de premier ordre attribuées aux interactions lithosphère-asthénosphère au Cénozoïque. Celles-ci sont essentiellement à l'échelle du bombement du Hoggar (différences entre Manzaz et Tahalga, c'est-à-dire entre Hoggar central et périphérique) ou à celle de conduits magmatiques et de leurs épontes (variabilité locale des xénolites de Tahalgha). Par contre, les résultats obtenus montrent peu de variations significatives pour les échelles intermédiaires, notamment pour des localités de Tahlagha situées de part et d'autre ou à différentes distances du 4°35. Ceci favorise plutôt, pour l'origine du bombement volcanique du Hoggar, les modèles faisant appel à des structures d'assez grande échelle telle qu'un panache mantellique ou une cellule de convection asthénosphérique de type « Edge Driven Convection », plutôt qu'un processus essentiellement lié à la réactivation des failles lithosphériques pan-africaines
This study aims to characterize the lithospheric mantle of the Hoggar swell (Algeria) and its evolution through time via a multidisciplinary (petrological, geochemical and petrophysical) study of mantle xenoliths sampled by Cenozoic volcanism. The samples were collected in two volcanic districts (Tahalagha and Manzaz) located in the periphery and in the central part of the Hoggar massif, respectively. The Tahalgha sampling also straddles a mega pan-African shear zone (the 4°35 fault) between two major structural domains of the Tuareg Shield basement: the Central Polycyclic Hoggar to the East (LATEA terranes) and the Western Hoggar domain to the West (Iskel block). The studied xenoliths provide information on the evolution of the lithospheric mantle from the Pan-African orogeny – i.e. the period when the Tuareg Shield was structured – to the Cenozoic events responsible for topographic upwelling and volcanism in the Hoggar swell.The Pan-African heritage is found in xenoliths from the peripheral Tahalgha district. These samples are distinguished by low equilibrium temperatures (750-900°C) and LREE-depleted clinopyroxene compositions. They are considered to represent the sub-continental lithosphere after the rejuvenation process that marked the later stages of the Pan-African orogeny. They show well preserved deformation textures (porphyroclastic to equigranular) assigned to these events and characterized by preferential crystallographic orientations (CPOs) of olivine (axial-[010]) consistent with a transpressional regime. The Cenozoic events are marked by partial annealing of these textures, particularly pronounced in the Manzaz samples, as well as in the Tahalgha xenoliths equilibrated at medium to high temperatures (900-1150°C). These samples were affected by different degrees of metasomatism. The Tahalgha xenoliths represent a rather unique case study of mantle metasomatism, where coupled textural, mineralogical and chemical variations occur along local temperature gradients. The Cenozoic events were also responsible for a change in olivine CPOs, resulting from both infiltration of metasomatic fluids and reactivation of Pan-African accidents in a pure-shear regime.Important implications of this study lie in the scale at which the first-order lithosphere modifications ascribed to the Cenozoic event are observed, i.e. either at the scale of the whole Hoggar swell, as shown by the increasing degree of textural annealing and metasomatism from Tahalgha to Manzaz (i.e. from outer to central Hoggar), or at the small scale of magma conduits and their wall rocks, as shown by the local variability registered by the Tahalgha xenoliths. Conversely, our data show little changes at intermediate scales, as might be expected, for instance, among the Tahalgha localities situated on either sides - or at different distances - from the 4°35. As regards the origin of the Hoggar volcanic swell, this result favours the models involving relatively large-scale structures such as a mantle plume or "Edge Driven Convection", rather than a process involving merely the reactivation of pan-African lithospheric faults

La convection dans le manteau terrestre est la principale force motrice du mouvement des plaques tectoniques. Alors que les parties inférieures du manteau supérieur se déforment de manière ductile, les plaques tectoniques sont rhéologiquement plus rigides que l'asthénosphère sous-jacente. Pour comprendre le couplage entre la convection profonde et les plaques tectoniques à la surface de la Terre, il est essentiel de comprendre les mécanismes de déformation visqueuse et frictionnelle du manteau lithosphérique. Mais à ce jour, la rhéologie du manteau supérieur juste au-dessous de la discontinuité de Mohorovicic est encore mal comprise. De plus, les premiers stades de la déformation viscoplastique à des températures intermédiaires (600-1000 ° C) pertinentes pour le manteau lithosphérique, ne sont ni bien documentés ni quantifiés. Dans le passé, la plupart des expériences de déformation étaient effectuées à des températures très élevées (> 1200 ° C). Pour fournir des valeurs mécaniques précises pour le manteau lithosphérique, nous avons besoin de données mécaniques mais aussi de la caractérisation de la microstructure associée pour comprendre la physique des mécanismes en jeu lors de la déformation permanente des roches riches en olivine. Dans cette thèse, nous avons réalisé des expériences de déformation en compression axiale à l'aide d'une presse Paterson (Géosciences Montpellier, Université de Montpellier, France) à haute pression et température (300 MPa, 1000-12000 ° C) et en torsion (‘rotary shear frictional testing machine’ au laboratoire de mécanique des roches, université de Durham, Royaume-Uni) à pression et température ambiantes. Les échantillons ont été caractérisés par microscopie électronique à balayage, diffraction d’ d'électrons rétrodiffusés et microscopie électronique en transmission. Après un chapitre d'introduction où l'état de l'art est détaillé et un chapitre consacré aux méthodes expérimentales et analytiques utilisées dans les projets scientifiques, la thèse s'organise en trois chapitres, chacun correspondant à trois articles scientifiques: le premier est publié (1) Évolution de la contrainte et des microstructures associées au fluage transitoire de l'olivine à 1000-1200 °C (Phys. Earth Planet. Int., doi: 10.1016/ j.pepi.2018.03.002. (https: //hal.archives- ouvertes.fr/hal-01746122) et les deux autres sont en préparation, (2) Densité de disclinaisons dans l'olivine polycristalline déformée expérimentalement à 1000 ° C et 1200 ° C (3) Déformation par cisaillement de l'olivine nano- et micro-cristalline. Le premier projet du chapitre III a montré que le durcissement mécanique observé ne peut pas provenir d'une simple augmentation de la densité de dislocations (e.g., la forêt) et que d'autres mécanismes doivent être mis en œuvre pour compenser les limites de glissements des dislocations. Dans le chapitre IV, les densités de dislocation géométriquement nécessaires (GND, défauts de translation) et les disclinaisons (défauts de rotation) sont quantifiées sur une série de roches déformées à différentes températures, déformations finies et niveaux de contrainte, mais aucune corrélation n'a été identifiée entre la densité de disclinaisons, et la contrainte, la déformation finie, ou la densité de GND. Le rôle des disclinaisons serait donc limité à la migration aux joints de grains, ce qui peut être suffisant pour débloquer les dislocations dans l'agrégat d'olivine polycristalline. Au chapitre V, les expériences de torsion ont confirmé l'effet négligeable de la taille du grain (olivine de 0,7 à 70 µm) sur la diminution drastique du coefficient de frottement, mais la caractérisation des échantillons n’a pas permis d'élucider le mécanisme principal de déformation. Cette thèse a permis de mieux caractériser la transition fragile-ductile d'une roche de type dunite à grains fins soumise à une déformation permanente aux températures du manteau sommitale
Convection in Earth’s mantle is the major driving force behind the movement of tectonic plates. While the lower parts of the upper mantle deform in a ductile way, the plates themselves are rheologically more rigid than the asthenosphere beneath. To understand how convection yields tectonic plates, it is vital to quantify the viscous and frictional strength of the lithospheric mantle. Yet to date, the rheology of the uppermost mantle just below the Mohorovicic discontinuity is still poorly understood. Furthermore, the early stages of visco-plastic deformation at intermediate temperatures (600 – 1000 °C) relevant of the lithospheric mantle are not well documented or quantified. In the past, most deformation experiments were performed at high temperatures (> 1200 °C). To provide accurate mechanical values for the lithospheric mantle, we need mechanical data but also a characterization of the associated microstructure to understand the deformation mechanisms at play during permanent deformation of olivine-rich rocks. In this thesis, I have performed deformation experiments in axial compression using a Paterson press (at Géosciences Montpellier, University of Montpellier, France) at high pressure and temperature (300 MPa, 1000 -12000 °C) and in torsion using a low to high velocity rotary shear frictional testing machine (Rock Mechanics Laboratory, Durham University, UK) at room pressure and temperatures. The recovered samples were characterized using scanning electron microscopy, electron backscatter diffraction and transmission electron microscopy. After an introduction chapter where the state-of-the-art is detailed, and a chapter focusing on experimental and analytical methods used during scientific projects, the thesis is organized as three subsequent chapters, each of them corresponding to three scientific articles: one is published (1) Stress evolution and associated microstructure during transient creep of olivine at 1000-1200 °C (Phys. Earth Planet. Int., doi: 10.1016/j.pepi.2018.03.002.); and the two others are in preparation, (2) Disclination density in polycrystalline olivine experimentally deformed at 1000 °C and 1200 °C; and (3) Shear deformation of nano- and micro-crystalline olivine at seismic slip rates. Chapter III has shown that the observed mechanical hardening can not come from a simple increase in dislocation density (e.g., entanglement) and that other mechanisms must be at play to compensate for the limitations of dislocation slip. For the first time, in chapter IV the densities of geometrically necessary dislocations (GND, translational defects) and disclinations (rotational defects) are quantified on a series of rocks deformed at different temperatures, finite strains and stress levels. No correlation has been identified between disclination density and stress, strain or GND. The role of the disclinations will therefore be limited to migration at grain boundaries, which may be sufficient to unblock dislocations in the polycrystalline olivine aggregate. In chapter V, torsion experiments confirmed the negligible effect of grain size (olivine from 0.07 to 70 μm) on the drastic decrease of the coefficient of friction, but the characterization of the samples did permit to shed light on the main mechanism of deformation. Thanks to an experimental approach and up-to-date material characterization, this thesis permitted better characterization of the brittle-ductile transition of a fine-grained dunite-type rock subjected to permanent deformation at uppermost mantle temperatures

La génération de plaques tectoniques implique une localisation efficace de la déformation dans la lithosphère pendant de longues périodes. Dans cette thèse, j'ai quantifié la contribution de l'anisotropie visqueuse due aux orientations préférentielles de réseau (OPR) de l'olivine dans le manteau lithosphérique sur la localisation de la déformation à l'échelle de la plaque. Dans un premier temps, j'ai réalisé des expériences numériques en utilisant des modèles de plasticité polycristalline viscoplastique auto-cohérente pour évaluer la magnitude et les paramètres de contrôle de l'anisotropie visqueuse induite par l'olivine à l'échelle de la roche. J'ai comparé leurs prédictions aux données expérimentales afin de valider les résultats du modèle. Ensuite, une paramétrisation basée sur ces modèles a été développée et implémentée dans un code géodynamique 3D pour étudier la réactivation structurale associée aux zones de cisaillement fossilisées dans le manteau et le rôle possible de l'anisotropie visqueuse sur le développement de la sismicité linéaire dans les domaines intraplaques.Les résultats montrent que l'activation des mécanismes secondaires à l'échelle de la roche contribue fortement à réduire la magnitude de l'anisotropie visqueuse dans les roches mantelliques. Les conditions aux limites imposées sont un paramètre important qui régule l'anisotropie visqueuse induite par la OPR à l'échelle de roches et de plaques. La présence de OPR olivine dans le manteau lithosphérique entraîne une forte dépendance directionnelle de la localisation de la déformation dans les zones de cisaillement fossile du manteau, qui, si elles sont bien orientées pour être réactivées, induisent une déformation localisée dans toute la lithosphère
The generation of earth-like plates implies efficient strain localization in the lithosphere for long times-spans. In this thesis, I quantified the contribution of viscous anisotropy due to crystal preferred orientations (CPO) of olivine in the lithospheric mantle on strain localization and deformation at the plate- scale. First, I performed numerical experiments using viscoplastic self- consistent polycrystal plasticity models to evaluate the magnitude and controlling parameters of olivine-induced viscous anisotropy at the rock- scale and compared their predictions to experimental data to validate the model results. Then a parameterization based on these models has been developed and implemented in a 3D geodynamical code to study structural reactivation associated with fossil shear zones and the possible role of viscous anisotropy on the development of linear seismicity in intraplate settings.The results show that activation of secondary mechanism at the rock scale greatly contributes to reducing the extent of viscous anisotropy in mantle rocks. The imposed boundary conditions are an important parameter regulating the CPO-induced viscous anisotropy at both rock- and plate scale. The presence of olivine CPO in the lithospheric mantle lead to strong directional dependence of the strain localization in fossil mantle shear zones, which, If well oriented to be reactivated, it induces strain localization in the entire lithosphere

Cette étude vise à caractériser la composition chimique d’enclaves de pyroxénites échantillonnées par le volcanisme cénozoïque intraplaque de la province volcanique de Azrou Timahdite dans le Moyen Atlas marocain afin de préciser leur origine et leur signification dans le cadre de l’évolution géodynamique du manteau sous l’Afrique du Nord. Les interprétations sont basées sur une étude pétrologique et sur des données géochimiques à l’échelle de la roche totale et du minéral. Les données sont utilisées dans le cadre du débat récurrent pour savoir si les pyroxénites représentent d’anciens événements magmatiques ou sont des fragments de croûte océanique recyclés dans le manteau lithosphérique. Les données géochimiques montrent que les pyroxénites du Moyen Atlas ont été formées par différents processus : 1 - recyclage de croûte océanique dans le manteau lithosphérique; 2 – réactions entre un magma et des roches basiques anciennes ; 3 – cristallisation dans le manteau à partir d’un magma enrichi. L’origine et l’âge des pyroxénites formées par recyclage de la croûte océanique ou par réaction entre un magma et des roches plus anciennes sont difficile à interpréter dans le cadre de l’évolution géodynamique de cette région. Par analogie avec les massifs de Ronda et de Beni Bousera, ces pyroxénites pourraient représenter d’anciennes roches basiques isolées depuis très longtemps dans le manteau lithosphérique sous-Continental. Ces fragments de croûte océanique et certaines signatures crustales peuvent être reliés à des processus de subduction pan-Africains. Dans ce cas, ces pyroxénites ont gardé leur signature géochimique intacte, sans modification significative au cours du temps
The Ph.D. study is aimed at characterising the composition of pyroxenite xenoliths brought to the surface by Cenozoic intraplate volcanism in the Azrou Timahdite district of Middle Atlas (Morocco) to unravel their origin and significance in the frame of the geodynamic evolution of the North Africa lithospheric mantle. The interpretations are based on a petrological approach and on reliable geochemical information at both bulk rock and mineral scale. The data are used to address a largely debated and crucial issue, namely whether pyroxenites do represent ancient magmatic events or section of subducted crust recycled into the lithospheric mantle. The geochemical data revealed that the Middle Atlas pyroxenites formed through different processes: 1 – recycling of older oceanic crust in the lithospheric mantle; 2 – reactions between mantle melt and older mafic layers; 3 – magmatic crystallization from enriched melts at mantle depth. In an overall geodynamic scenario, the origin and age of the pyroxenites interpreted as fragments of recycled oceanic crust and as products of melt-Rock interaction processes are not completely understood. By analogy with Ronda and Beni Bousera these pyroxenites could represent old mafic rocks that have been isolated in the subcontinental lithospheric mantle for very long time spans. The fragments of oceanic material and the crustal components recorded by pyroxenites may be tentatively related to subduction processes occurred during Pan-African times. If so, these pyroxenites maintained for long time their pristine geochemical signatures without marked changes

Les travaux réalisés durant cette thèse apportent de nouvelles contraintes sur les relations entre déformation, hydratation et percolation de fluides et/ou de magmas dans le manteau subcontinental sous un craton et sous un rift, et leurs implications sur son comportement rhéologique. Il repose sur l'analyse des microstructures, des OPRs et des teneurs en hydrogène de xénolites mantelliques du craton du Kaapvaal, et sur deux séries de xénolites provenant de différentes localités le long du rift Est-Africain (Divergence Nord Tanzanienne et SE de l'Ethiopie). Les microstructures granulaires à gros grains et les OPRs bien définies des péridotites du craton du Kaapvaal sont cohérentes avec un épisode de déformation suivi d'une longue période de quiescence. Les OPRs de l'olivine sont majoritairement à symétrie orthorhombique, mais des symétries axiale-[100] et axiale-[010] sont aussi mesurées. Les péridotites cratoniques enregistrent de multiples épisodes métasomatiques, ayant entraîné une hétérogénéité de compositions à petite échelle ne pouvant être détectée par les études sismiques. Les teneurs en hydrogène mesurées dans l'olivine sont variables, mais ont tendance à augmenter jusqu'à 150 km de profondeur, atteignant alors jusqu'à 50 ppm wt. H2O. En dessous de cette profondeur, les échantillons montrent des teneurs en hydrogène très faibles. Les expériences réalisées en piston-cylindre sur la diffusion de l'hydrogène issue d'un liquide kimberlitique vers de la forstérite suggèrent que la fugacité en eau pourrait fortement être diminuée par la présence de CO2, empêchant l'hydratation de l'olivine durant extraction des xénolites par les kimberlites. Ces résultats expérimentaux suggèrent que les teneurs en hydrogène dans l'olivine des péridotites du craton du Kaapvaal ont été acquises durant un épisode métasomatique en profondeur et non pendant leur extraction par les kimberlites. Ces teneurs n'ont toutefois pas à ce jour entraîné de remobilisation de la racine cratonique. Enfin, le calcul des propriétés sismiques des péridotites cratoniques révèle que les anisotropies générées par les OPRs de ces échantillons sont suffisantes pour expliquer les anisotropies mesurées par les ondes SKS et les ondes de surface.Les xénolites de la Divergence Nord-Tanzanienne, montrent des variations significatives de microstructures et d'OPR de l'olivine entre les péridotites des localités dans l'axe du rift et celles de la chaîne volcanique transverse (Lashaine et Olmani). A Lashaine, les microstructures granulaires à gros grains et les OPRs de type orthorhombique et axial-[010] peuvent être expliquée par une déformation en transpression liée à la formation de la chaîne Mozambique ou par la présence d'une relique d'un domaine cratonique à l'intérieur de la chaîne Mozambique. Dans l'axe du rift, les microstructures porphyroclastiques à mylonitiques suggèrent une déformation plus récente, accompagnée de réactions magma-roche sous des conditions proches du solidus, suivie d'un recuit variable. L'hétérogénéité des microstructures enregistrées par les échantillons du rift suggère de multiples épisodes de déformation localisée, probablement liés à l'injection percolation épisodique de magmas, espacés de périodes d'accalmie. Les OPRs de l'olivine de type axial-[100] et l'orientation des directions de polarisation des ondes SKS suggère que le rift s'est formé en régime de transtension Les péridotites du Sud-Est de l’Éthiopie présentent des microstructures porphyroclastiques à gros grains moins recristallisées qu'en Tanzanie. Les microstructures et les OPRs principalement de type orthorhombique suggèrent une déformation syn- à post-métasomatisme. Les anisotropies de polarisation des ondes S calculées pour ces échantillons sont insuffisantes pour expliquer à elles seules les déphasages des ondes SKS dans cette partie du rift
This study provides additional constraints on the relations between deformation, hydration and percolation of fluids and melts in the subcontinental lithospheric mantle beneath a craton and a rift, as well as their implication on its geodynamical behaviour. I have analysed the microstructures, the CPOs, and the hydrogen content of mantle xenoliths from the Kaapvaal craton, and two sets of xenoliths from different localities along the East African Rift (North Tanzanian Divergence and SE Ethiopia). The coarse-granular microstructures and the well-defined CPOs in Kaapvaal peridotites suggest a deformation followed by a long quiescence time. Orthorhombic olivine CPOs predominates, but axial-[100] and axial-[010] are also measured. Cratonic peridotites record multiple metasomatic episodes, leading to a significant compositional heterogeneity, which cannot be imaged by seismic studies. Olivine hydrogen contents are variable, but tend to increase until 150 km depth, reaching up to 50 ppm wt. H2O. The deeper samples are almost dry. Piston-cylinder experiments on hydrogen diffusion between a volatile-rich kimberlitic melt and forsterite suggest that the presence of CO2 in the system could significantly decrease water fugacity and thus forsterite hydration. These experimental results indicate that the hydrogen contents measured in olivine were acquired during a metasomatic event rather than during xenolith extraction by kimberlites. However, this metasomatism was not followed by remobilization of the cratonic root. In the North Tanzanian Divergence, localities within the rift axis and the volcanic transverse belt (Lashaine and Olmani) show significant differences in microstructures and olivine CPO patterns. In Lashaine, coarse-granular microstructures and orthorhombic to axial-[100] CPO patterns in olivine can be explained by transpressional deformation during the formation of the Mozambique belt, or by the occurrence of a remnant of a cratonic domain embedded within the Mozambique belt. Within the rift axis, porphyroclastic to mylonitic microstructures suggest a recent rift-related deformation accompanied by syn-kinematic melt-rock reactions, and followed by variable annealing. The strong heterogeneity in microstructures and olivine CPO suggests that this deformation was acquired during multiple tectonic events probably linked to episodic magma percolation, separated by quiescence episodes. The axial-[100] patterns in olivine and the oblique fast directions reported by SKS studies are coherent with transtensional deformation within the lithospheric mantle beneath the rift. The peridotites from SE Ethiopia are less recrystallized than the rift-axis Tanzanian peridotites, displaying coarse-porphyroclastic microstructures. Microstructures and orthorhombic CPOs in olivine suggest syn- to post-metasomatic deformation. S-waves polarization anisotropies calculated for these samples cannot explain alone the delay times reported by SKS studies in this part of the East-African Rift

Mon travail de thèse s'est attaché à caractériser le manteau supérieur Patagonien à travers l'étude pétrologique et géochimique d'enclaves mantelliques échantillonnées par des basaltes alcalins mise en place au Cénozoïque en contexte d'arrière arc. Les enclaves du Nord de la Patagonie conservent d'importants stigmates de processus de fusion partielle alors que dans celles du Sud, les circulations de liquide ont oblitérées, partiellement voire totalement, les empreintes de fusion partielle. Finalement, cette étude permet de proposer que les liquides qui ont métasomatisés à grande échelle le manteau patagonien, principalement au Sud, sont essentiellement de type silicaté mafique d'affinité alcaline. Ces liquides sont certainement à relier aux différentes phases magmatiques associés à des processus de remontées asthénosphériques et non pas à des processus de déshydratation de slab.