Caractérisation du manteau supérieur patagonien

Le manteau terrestre 

Le manteau terrestre d’une épaisseur de 2900km, se divise en deux entités: le manteau supérieur (0 à 670km) et le manteau inférieur (670km à 2900km). Les pétrologues et géochimistes n’ont accès qu’au manteau supérieur, et plus particulièrement à la partie superficielle, qui forme les 100 premiers kilomètres, nommée lithosphère. Cette lithosphère, rigide et « froide », est formée de la croûte et de la partie supérieure du manteau supérieur. Dans certain cas, il est possible d’avoir accès à l’asthénosphère (partie inférieure du manteau supérieure), plastique et « chaude », sous jacente à la lithosphère.

Le manteau terrestre, durant ces dernières années, a fait l’objet de nombreuses études, focalisées aussi bien sur sa nature, sa composition (Kempton et al., 1999 ; Stern et al., 1999 ; Ionov, 1998 ; Ionov et al., 2005, 2006; Ntaflos et al., 2000 ; Grégoire et al., 2000, 2002 ; Rivalenti et al., 2004a, b ; Schilling et al., 2005, etc…), sa structure et sa dynamique (Albarède, 1998 ; Becker et al., 1999 ; Coltice et Ricard, 1999 ; Davaille, 1999 ; Kellog et al., 1999 ; Tackley, 2000 ; O’Reilly et al., 2001 ; Van Keken et al., 2002 ; Kogiso et al., 2004, etc…) .

Le manteau est accessible en surface, en différents contextes géodynamiques, à la fois en milieu continental et océanique, sous des formes distinctes (massifs et enclaves). En domaine continental, les massifs se positionnent dans deux types d’environnements tectoniques. Ils sont parfois (1) « pincés » dans des orogènes (Lherz, Ronda, Alpes, etc…, Downes, 2001) ou bien, sont (2) obductés (« déposés») sous forme d’ophiolites sur le continent (Oman, Taitao, etc…). En domaine abyssal, le manteau est « accessible » au niveau de dôme remontés le long de failles ductiles ainsi qu’au cœur des dorsales lentes à ultra-lentes (Medio Atlantique, Sudouest Indienne ; Dick et al., 2002; Dantas et al., 2007), où les taux d’ouverture et la production de croûte océanique sont faibles. Cette accessibilité reste relative du fait qu’il faut effectuer des campagnes de dragages ou de forages pour les échantillonner (Dick et Fischer, 1984 ; Dick, 1989 ; Johnson et Dick, 1992).

Les fragments de roches, transportés en surface par les roches volcaniques, sont nommés « xénolites », « enclaves » ou « nodules », selon les auteurs. Ces enclaves, par définition, sont des inclusions de roches qui n’ont aucunes relations directes avec la lave porteuse, présumées provenir le plus souvent du manteau supérieur. Ils sont les témoins du manteau d’une région donnée et échantillonnés à un instant « t » lors de l’éruption, et sont préservés de toute activité tectonique crustale, contrairement aux massifs qui eux remontent lentement. Les enclaves sont le plus souvent remontées en surface par des laves basaltiques alcalines, peu ou pas évolués (basaltes alcalins, basanites…), par des laves hyper alcalines de type lamprophyres, lamproïtes et kimberlites. Les enclaves peuvent avoir des tailles variant du centimètre à plusieurs dizaines de centimètres.

Géophysique (Tomographie, modélisation numérique et analogique) versus Géochimie

Stratification du manteau? Récente ou ancienne? « Marble Cake » d’Allègre et Turcotte (1986) ? Le manteau est-il brassé dans sa totalité et sur un seul niveau par une seule série de cellules de convection ? Ou serait-il agité par une convection sur deux niveaux, chacun animé par une série de cellules de convection ? (Tackley, 2000). Un modèle à un seul niveau de convection   satisfait certains tectoniciens et sismologues qui observent, par la tomographie, des plaques subductées descendre jusqu’à la base du manteau (van der Hilst et al., 1991, 1997). La sismologie, en effet, permet de réaliser un véritable « scanner » de l’intérieur de la Terre. Les images tomographiques, présentant une vue tridimensionnelle des variations des vitesses sismiques dans le manteau, nous offrent une coupe verticale de celui-ci : les zones de vitesses sismiques rapides correspondent en première approximation à des zones froides, et les zones de vitesses sismiques lentes à des zones chaudes .

Ces images permettent de suivre la subduction de certaines plaques océaniques jusqu’à 2900 km de profondeur et donc, de démontrer qu’il existe des mouvements à l’échelle du manteau tout entier.

Cependant, les géochimistes et quelques sismologues, les premiers en analysant les laves et les roches du manteau, les seconds en détectant une discontinuité marquée à 670 km, proposent un manteau à deux couches . Les géochimistes analysent les laves émises à la surface de la Terre et utilisent les éléments radioactifs contenus par celles-ci, comme traceurs pour remonter à la composition initiale de leurs sources dans le manteau (par exemple, Janney et al., 2005). Ils distinguent principalement deux types de laves, MORB (Basalte de ride médio-océanique) et OIB (Basaltes d’îles océaniques ou de point chaud).

Les MORB, émis au niveau des dorsales océaniques, présentent une composition relativement constante sur l’ensemble de la planète. Ces laves proviennent donc d’un réservoir relativement homogène, occupant la partie supérieure du manteau. Les laves OIB, quand à elles, présentent une composition variable, mais systématiquement plus riche en éléments traces incompatibles (LILE et HFSE) et en gaz. Donc, il semble que ces OIB proviennent d’une seconde couche plus profonde (> 670 km voire 2900km, à la limite manteau / noyau), demeurée isolée de la surface pendant des milliards d’années. La morphologie et la profondeur de ces deux réservoirs ne sont cependant pas contraintes. La seule certitude est que la partie supérieure du manteau, d’où proviennent les MORB, ne peut occuper plus de la moitié du manteau total. Dans ce modèle à deux couches, le manteau est divisé en deux parties qui convectent séparément, sans échange de masse important. Ce modèle satisfait la géochimie car il fait apparaître deux couches bien différenciées, mais ne respecte pas les données sismiques .

Nature du manteau terrestre

Mon étude a principalement concernée des roches ultramafiques (minéraux mafiques M ≥90, Streckeisen, 1976), et quelques roches basiques (M<90). Ces dernières sont présentes principalement dans le manteau au Nord de la Patagonie, et sporadiquement sous le reste de la Patagonie.

Les roches ultramafiques, constituées principalement de quatre minéraux mafiques sont classées en fonction de leurs contenus en trois d’entre eux : l’olivine (Ol), l’orthopyroxène (Opx) et le clinopyroxène (Cpx). A ceux-ci s’ajoutent la phase alumineuse, qui peut être soit le plagioclase, soit le spinelle, ou soit le grenat. En plus de ces minéraux anhydres, des phases hydratées (amphibole et phlogopite) peuvent s’observer dans les enclaves. Dans le diagramme ternaire de Streckeisen (1973, 1976) les péridotites se distinguent des pyroxénites par leur proportion modale en olivine qui est supérieure à 40% . Le groupe des pyroxénites se divise en orthopyroxénite (Opx >90%), en webstérite à olivine (Ol<40% et Cpx+Opx >60%), en webstérite (Cpx+Opx >95%) et en clinopyroxénite (Cpx>90%).

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Table des matières

Chapitre I: Introduction générale
I- Le manteau terrestre
I-1. Géophysique vs Géochimie
I-2. Nature du manteau terrestre
I-3. Les textures
II- Processus pétrogénétiques dans le manteau
II-1. La fusion partielle
II.2. Métasomatisme
II.3. Origine des Pyroxénites
III- Migration des magmas et transports/réactions des xénolites
Chapitre II : Histoire géologique et géodynamique de la Patagonie (Argentine et Chili)
I- Tectonique globale du Paléozoïque au Cénozoïque
I-1. Au Paléozoïque
I-2. Au Mésozoïque
I-3. Au Cénozoïque
II- Magmatisme et Tectonique en Patagonie du Néogène à l’actuel
II-1. Patagonie du Nord (40°-46°S)
II-1.1. La province ignée de Somoncura
II-1.2. La Meseta de Canquel
II-2. Patagonie Centrale (46°S-49°S)
II-2.1. La Meseta Central
II-2.2. La Région Nord-Est
II-3. Patagonie du Sud (49°S-52°S)
II-3.1. La Province Volcanique de Pali Aike
Chapitre III : Les laves hôtes
I- Les basaltes alcalins des Plateaux arrière arc de Patagonie (40°S-52°S)
I-1. Pétrographie des basaltes
I-2. Géochimie des éléments majeurs
I-3. Géochimie des éléments traces
I-4. Géochimie isotopique (87Sr/86Sr et 143Nd/144Nd)
II- Conclusions de l’étude des laves hôtes
Chapitre IV : Xénolites mantelliques du Nord de la Patagonie (40°-46°S)
I- Etat des connaissances
II- Etude pétrographique
II-1. Cerro Aznare (PM6)
II-2. Praguaniyeu (PM8)
II-3. Cerro Rio Chubut (PM10)
II-4. Cerro de Los Chenques (PM12)
II-5. Réactions/interactions entre les xénolites et les laves hôtes
II-6. Synthèse pétrographique
III- Compositions chimiques des phases minérales
III-1. Eléments majeurs
III-1.1. Olivine
III-1.2. Orthopyroxène
III-1.3. Clinopyroxène
III-1.4. Spinelle
III-1.5 Phlogopite
III-2. Eléments traces dans les minéraux (LA-ICP-MS)
III-2.1. Clinopyroxène
III-2.2 Phlogopite
IV- Discussion
IV-1. Histoire du manteau supérieur
IV-1.1. Les péridotites
IV-1.2. Nature et origine des pyroxénites
IV-1.3. L’enclave composite: l’orthopyroxénite
Chapitre V: Xénolites mantelliques de Patagonie Centrale (46°S-49°S)
I- Etat des connaissances
II- Etude pétrographique
II-1. Cerro Clark (PM24)
II-2. Estancia El Cisne – Gobernador Gregores (PM23)
II-3. Synthèse pétrographique
III- Compositions chimiques des phases minérales
III-1. Eléments majeurs
III-1.1. Olivine
III-1.2. Orthopyroxène
III-1.3. Clinopyroxène
III-1.4. Spinelle
III-1.5. Amphibole
III-1.6. Phlogopite
III-1.7. Carbonate
III-1.8. Verre
III-2. Eléments traces dans les minéraux (LA-ICP-MS)
III-2.1. Clinopyroxène
III-2.2. Amphibole de Goberndor Gregores
III-2.3 Phlogopite de Goberndor Gregores
IV-Discussion
IV-1. Histoire du manteau supérieur
IV-1.1. Processus de fusion partielle
IV-2.1. Processus de métasomatisme et de magmatisme dans le manteau supérieur
Chapitre VI: Xénolites mantelliques du Sud de la Patagonie (49°S-52°S)
I – Etat des connaissances
II- Etude pétrographique
II-1. Xénolites à Spinelle et Grenat (SG)
II-2. Xénolites à Spinelle (S)
II-3. Synthèse pétrographique
III- Compositions chimiques des phases minérales
III-1. Eléments majeurs
III-1.1. Olivine
III-1.2. Orthopyroxène
III-1.3. Clinopyroxène
III-1.4. Spinelle
III-1.5. Grenat
III-1.6. Amphibole
III-1.7. Phlogopite
III-2. Eléments traces dans les minéraux (AL-ICP-MS)
III-2.1. Clinopyroxène
III-2.2. Grenat
III-2.3. Pargasite
III-2.4. Phlogopite
IV- Discussions
IV-1. Histoire du manteau supérieur
IV-1.1. Processus de fusion partielle
IV-1.2. Processus de métasomatisme mantellique
Chapitre VII: Conclusion
I – Perspectives
II – Perspectives
Bibliographie
Annexes
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