Les basaltes dans leur contexte géodynamique (PDS8)

Et voici le plan de Julie sur ce sujet. Adjugé ! On passe au suivant !!

Les basaltes dans leur cadre géodynamique

Basalte = roche volcanique, structure microlitique. Issu d’un magma primaire du à la fusion partielle des péridotites du manteau. Ce sont des roches qualifiées de basiques car riches en bases (MgO, FeO) et pauvre en alcalins (K2O, Na2O). Ce sont des roches mafiques. Roches mélanocrates (foncées car riches en ferromagnésiens)
Les basaltes semblent donc présenter une unité, cependant si on examine de plus près le chimisme de basaltes prélevés en différents cadres géodynamiques (convergence, divergence, intraplaque) on observe une diversité définit selon la teneur en éléments majeurs et mineurs.

En quoi le contexte géodynamique et la diversité des basaltes sont-ils liés ?

I.Les basaltes en cadre convergent.

A.Les basaltes andins.
Au niveau des Andes s’observe une subduction de marge continentale.

1.Diversité des échantillons.
Les roches magmatiques les plus abondantes sont les andésites ; de couleur grise, riches en pyroxène (ortho surtout et clinopx), en plagioclases plus ou moins zonés dont la composition est équilibrée entre le pôle sodique (NaSi3AlO8), présence également d’amphiboles (minéraux hydroxylés) et de micas qui sont des minéraux ferromagnésiens.
On trouve également des dacites, termes intermédiaires, claires à grises comprenant du quartz et plagioclases. Et de nombreuses rhyolites ; roches claires à grises, elles présentent du quartz, des feldspaths plutôt alcalins (plagioclases sodiques, feldspaths potassiques de haute température = sanidine), amphiboles et micas.
On peut également trouver selon l’âge de la subduction, la distance par rapport à la fosse ou encore la nature de la croûte chevauchante d’autres types de roches : basaltes alcalins, shoshonites, des basaltes riches en quartz.

Il y a toujours une dominance des minéraux hydroxylés = constante des roches de subduction.

2.Des marqueurs géochimiques.
•Les éléments majeurs :
Tableau avec analyse des éléments majeurs des différentes roches trouvées dans les zones de subduction.  Diagramme de alcalins/silice  différentes séries
On constate une augmentation régulière de la teneur en K2O (alcalins) successivement des séries tholéitiques – calco alc – alcaline. Augmentation en parallèle avec celle de SiO2 (reflète le caractère hygromagmatophile des alcalins)

Diagramme AFM (A = somme des alcalins, F= FeO+Fe2O3, M= MgO (bases)) montre un enrichissement en fer des basaltes tholéiitiques, mais faible ou nul dans les séries calco-alcalines. (En effet le magma donnant naissance à la série tholéiitique est pauvre en eau donc pas de formation d’oxyde de fer donc magma enrichi en fer, contraire au magma calco-alcalin riche en eau)

•Les éléments traces :
Eléments dont la concentration est faible (en ppm) et qui sont donc largement minoritaires dans les minéraux.
Spectre des éléments incompatibles : pic de K, Sr, Th et dépression pour Nb. Quantité importante d’éléments à faible potentiels ioniques.
Enrichissement en éléments incompatibles (comme pour les MORB) cela signifie que les basaltes calco alcalins se sont enrichis en éléments incompatibles lors de la traversée du manteau supérieur grâce aux fluides présents.
Plus la quantité de ces éléments est importante, plus le magma a une origine profonde (plus longue durée de traversée du manteau supérieur donc enrichissement plus important)

L’analyse géochimique montre que les basaltes des zones de subduction ont la même origine : fusion du manteau mais les quantités témoignent de conditions de fusion variables.

B.Des conditions de fusion partielle.

1.Paramètres nécessaires à la fusion.
Expliquer plaque plongeante qui ne fond pas. Se déshydrate vers 50km de profondeur par évaporation. A 100km déshydratation des minéraux silicatés dans le faciès des amphibolites, d’où hydratation du coin du manteau et par conséquent abaissement du point de fusion partielle de cette partie donc fusion partielle des péridotites.

Faire le graphique température/profondeur avec les solidus de péridotite anhydre et hydratée et géotherme océanique…

Cependant nous avons vu qu’il existe différentes séries magmatiques avec des teneurs en éléments chimiques variables. Ceci s’explique par le taux de fusion partielle…

2.Des taux de fusion partielle.
Plus la fusion du manteau est profonde (avec enfoncement de la plaque qui subduit) plus le taux de fusion partielle est faible (problème de la pression qui inhibe la fusion). L’origine plus ou moins profonde des magma étant mise en évidence par l’importance de la quantité en éléments incompatibles.
Ainsi : taux de fusion partielle faible donc enrichissement en éléments incompatibles donc série alcaline. Taux de fusion partielle élevé (si croûte océanique jeune alors chaude donc taux plus important) donc pauvre en éléments incompatibles donc série tholéiitique.
Lorsque la plaque qui subduit est très jeune, donc très chaude, par exemple au Chili celle va subir une fusion partielle. Dans ce cas on obtient les adakites dont la signature géochimique rappel les TTG de l’Archéen.

D’autres mécanismes complètent les taux de fusion partielle pour aboutir à la diversité basaltique observée.

C.Des mécanismes d’évolution.

1.La différenciation magmatique.
Exemple : cristallisation de Px et Ol et de beaucoup d’amphibole car présence de beaucoup d’eau. Or, l’amphibole est pauvre en Si donc enrichissement du magma en Si = effet amphibole qui entraîne une acidification du magma résiduel.

2.La contamination.
Par les éléments de la croûte plongeante, par les sédiments du prisme d’accrétion qui subduisent, par la traversée de la croûte continentale. Dans ce cas la contamination sera d’autant plus importante que la croûte traversée sera épaisse.

3.Hybridation.
Mélange de 2 magmas différents : 1 basique et 1 acide.

Les conditions imposées par le cadre de la convergence entraînent une fusion partielle du manteau dans des taux variables. A cela s’ajoute des processus complexe d’évolution des magmas obtenus donnant ainsi naissance à la diversité basaltique observée.


II.Les basaltes en cadre divergent.

2 cadres divergents sont à envisager : les dorsales avec l’océanisation et le rifting continental.

A.Les basaltes observés.

1.Les basaltes de dorsale.
a.Deux types majeurs.
Les basaltes de dorsales se présentent sous la forme des pillow lavas (due aux conditions de mise en place dans l’eau). Ces basaltes sont de type tholéiitique ou encore appelés MORB. Roches microlithiques avec un verre relativement fréquent. Phénocristaux peu développés d’olivine, de plagioclases (surtout calciques) quelques clinoPx (type Augite donc calcique).

b.Les marqueurs géochimiques.
•Les éléments majeurs.
Teneur en SiO2 comprise entre 49 et 52%. Faible teneur en potassium (K2O < 0.5%) et en éléments incompatibles. Enrichissement en fer.

•Les éléments traces.
L’analyse des éléments traces permet de distinguer deux types de MORB : MORB-E et MORB-N
Diagramme multi élémentaire
MORB-N : teneur en terres rares légères (éléments les plus incompatibles) est faible. Les MORB-E présentent une teneur en terres rares légères plus importantes que les N. ce qui traduirait un taux de fusion partielle plus faible pour ces MORB-E, une origine plus profonde… deux sources différentes.

2.Les basaltes de rifting.
On y observe des basaltes alcalins, souvent associés à des tholéiitiques
•Les éléments majeurs.
Faible teneur en SiO2 (SiO2 < 48%) et teneur élevée en alcalins (Na2O +K2O) proche de 3 à 4%.

•Les éléments mineurs.
??? pas trouvé… Certainement riche en terres rares légères puisque taux fusion partielle peut important.

L’étude des basaltes des zones de divergence permet de retracer leurs origines et leurs évolutions. Elle met évidence une fusion partielle en plusieurs temps.

B.Une fusion partielle en plusieurs temps.

1.Le stade de rifting.
Géochimie traduit un taux de fusion partielle peu élevé du à une origine profonde. Donc riche en éléments incompatibles tels que les alcalins.
Soit, rift passif : exemple du rift Rhénan. Rifting par des petites cellules de convection donc remontée de l’asthénosphère d’où bombement et volcanisme.
Soit rift actif : remontée de l’asthénosphère (due à un point chaud, une dorsale) d’où bombement et volcanisme.

Graphique Température/profondeur avec les géothermes, solidus et liquidus…
Tout d’abord fusion de la lithosphère donc un basalte tholéiitique en faible quantité. Très vite il y a fusion de l’asthénosphère (par décompression adiabatique) qui donne le basalte alcalin car provenant d’un manteau enrichi en incompatibles et taux de fusion faible.

2.Le stade dorsale.
Lorsque le stade rifting s’accentue, l’asthénosphère s’appauvrie de plus en plus en éléments incompatibles, il y a alors « remplacement » des basaltes alcalins par les basaltes tholéiitiques plus pauvres en éléments incompatibles/
Distinction MORB-E et MORB-N :
MORB-E, trouvés sur dorsale Pacifique donc rapide : remontée de diapirs du manteau< enrichis qui viennent par hybridation enrichir le magma de la dorsale. Cette remontée de diapirs permet d’ailleurs le fonctionnement rapide de la dorsale.
MORB-N, trouvés sur la dorsale Atlantique donc lente : nombreuses petites chambres magmatiques non alimentées par des diapirs profonds, donc pas d’hybridation, pas d’enrichissement.

Les conditions imposées par le cadre de la divergence entraînent une fusion partielle du manteau donnant naissance à une diversité de basaltes en fonction des conditions de fusion partielle.


III.Les basaltes en cadre intraplaque.

Ce sont des lieux de productivité magmatique non installés en limite de plaque. (Exception de l’Islande)

A.Les basaltes réunionnais.

1.Deux séries distinctes.
On y observe des basaltes alcalins avec les clinopyroxènes en abondance notamment l’augite, et des plagioclases.
Des basaltes tholéiitiques très voisins de ceux des dorsales avec cependant plus de phénocristaux.
Ces basaltes sont appelés les OIB (Ocean-Island-Basalt).

2.Des marqueurs géochimiques.
a.Les éléments majeurs.
Riches en Fe, Mg et Ca. Série alcaline et tholéiitique. Teneur élevée en alcalins.

b.Les éléments mineurs.
Les OIB présentent une teneur importante en terre rares légères. Les rapport du Néodyme et du strontium = témoin d’une origine profonde et d’un taux de fusion partielle faible (5% environ) base du manteau supérieur et sommet du manteau inférieur.

B.Une origine unique.

Les analyse géochimiques montrent que les 2 types de basaltes proviennent de la même origine mais le magma subit ensuite une évolution complexe.

Une instabilité gravitaire peut engendrer la formation d’un panache au niveau de la couche D’’. Ce panache remonte ensuite à l’état solide dans l’asthénosphère. (cf données de la tomographie sismique)

Ce panache sera à l’origine des basaltes alcalins (origine profonde, manteau enrichi). Le panache arrivant à la base de la lithosphère (environ 150 km) va provoquer sa fusion partielle. Graphique avec géotherme solidus et liquidus, élévation du géotherme d’environ 1300°C. Cette fusion partielle aboutit à la formation de basaltes tholéiitiques.

A ceci s’ajoute des processus de contamination lors de la traversée, des hybridations possibles.

Conclusion :
Les cadres géodynamiques par les contraintes qu’ils génèrent entrainent la fusion partielle du manteau (par hydratation, décompression adiabatique, anomalie thermique) dont les variations de taux associés à des processus d’évolution magmatique aboutissent à la mise en place des basaltes divers, signature du cadre.
Ces basaltes une fois mis en place peuvent subir de nouvelles évolutions, notamment du métamorphisme ; par exemple les basaltes tholéiitiques de dorsales sont soumis à l’hydrothermalisme. Le métamorphisme HP/BT des zones de subduction…