Constraints on the origin of silica-undersaturated arc magmas inferred from melt inclusions and experimental melting of peridotite – pyroxenite mixed source

Les laves émises en domaine de subduction sont dominées par des compositions calcoalcalines à hypersthène normatif. En revanche, les inclusions magmatiques piégées dans les olivines magnésiennes (Fo ≥ 88) des basaltes d’arc présentent des compositions alcalines, à néphéline normative. Bien que leurs compositions en éléments traces incompatibles ne diffèrent pas de celles de leurs laves hôtes, ces magmas ne peuvent pas s’expliquer par les modèles classiques de formation des laves d’arc. L’étude d’inclusions magmatiques alcalines de plusieurs arcs du monde a permis de mettre en évidence leur variabilité de composition, en particulier en CaO et Sc, deux éléments compatibles dans le clinopyroxène. Le couplage de cette étude avec des modélisations thermodynamiques a aboutit à l’élaboration d’un modèle de source impliquant la contribution de clinopyroxénites à amphibole à environ 1 GPa. Les inclusions magmatiques à néphéline normative d’arc seraient ainsi les témoins de l’hétérogénéité de source à l’origine des magmas d’arc. Les expériences de fusion partielle du mélange homogène clinopyroxénite à amphibole – péridotite hydratée réalisées à 1 GPa permettent d’apporter des informations supplémentaires quant aux mécanismes de genèse des magmas d’arc sous-saturés en silice et de mieux comprendre les comportements de fusion des deux types de lithologies. Pour des proportions inférieures à ~ 50 % de pyroxénite dans la source, les magmas produits présentent des compositions à hypersthène normatif, comparables aux laves d’arc issues de la fusion de lithologies péridotitiques. Pour des proportions de pyroxénites supérieures, les magmas sont à néphéline normative et s’enrichissent en calcium, reproduisant ainsi la gamme de compositions observée pour les inclusions magmatiques. 50 % de mélange correspond à la limite de stabilité de l’orthopyroxène. Tant que cette phase est présente dans le résidu, les magmas engendrés restent à hypersthène normatif. De plus, la présence d’amphibole dans la source permet d’augmenter la sous-saturation des liquides résultants et d’expliquer ainsi les termes les plus riches en néphéline normative de certaines inclusions. Nos expériences de fusion d’une source homogène ont également permis de déterminer la composition des magmas formés par un processus de fusion plus réaliste, impliquant une source hétérogène pyroxénite-péridotite. La productivité de liquides des pyroxénites étant supérieure à celles des péridotites, les magmas générés à partir d’une source hétérogène seront donc principalement pyroxénitiques, c’est-à-dire davantage sous-saturés en silice. Ainsi, dans le cas d’un mélange de magmas issus d’une source hétérogène, la transition entre les compositions à hypersthène et à néphéline normatifs s’effectue aux alentours de 30-40 % de liquides pyroxénititiques, soit pour environ 20-25 % de pyroxénite dans la source. L’origine de ces lithologies dans le manteau sub-arc est attribuée à la délamination de cumulats à clinopyroxène + amphibole présents à la base de la croute des arcs. Les inclusions magmatiques à néphéline normative d’arc auraient enregistré plusieurs étapes de mélange entre des liquides quasi-purs de clinopyroxénites et des liquides péridotitiques. L’homogénéité de compositions des laves à hypersthène normatif traduirait en revanche, un stade de mélange et de différenciation plus avancé, atténuant ainsi la signature pyroxénitique.Lavas erupted in subduction zones are dominated by calc-alkaline, hypersthene-normative compositions. However, melt inclusions trapped in magnesian olivines (Fo ≥ 88) from arc basalts often show alkaline, nepheline-normative compositions. Although their trace element compositions are comparable to those of their host lavas, these melt inclusions cannot be simply explained by the typical models for arc lava genesis. The study of melt inclusions from several island arcs from all over the world has emphasized their compositional variability, in particular in calcium and Sc, two elements compatible in clinopyroxene. The coupling of this study with thermodynamic modelling has led to the development of a source model involving the contribution of amphibole-bearing clinopyroxenites at about 1 GPa. Nepheline-normative arc melt inclusions thus underline the source heterogeneity at the origin of arc magmas. Partial melting experiments of amphibole-clinopyroxenite – hydrous peridotite homogeneous mixtures performed at 1 GPa have provided additional information on the origin of silica-undersaturated arc magmas, and also a better understanding of the melting behaviour of the two types of lithologies. For proportions of pyroxenite lower than 50 % in the mixed source, the derived melts show hypersthene-normative compositions that are comparable to peridotite-derived arc lavas. For higher proportions of pyroxenite in the source, the derived magmas become nepheline-normative, calcium-rich, and reproduce the compositional range of the melt inclusions. Fifty percent of mixing corresponds to the limit of orthopyroxene stability. As long as this phase is present in the residue, the generated melts are hypersthene-normative. In addition, the presence of amphibole in the source increases the silica under-saturation of liquids and thus accounts for the extreme enrichment in normative nepheline of some inclusions. Our melting experiments of a homogeneous source have allowed to determine the compositions of magmas derived from a mode realistic melting process, involving a heterogeneous source. As pyroxenites have higher melt productivity than peridotites, most melts produced from a pyroxenite-peridotite mixed source are comparable to those produced by a dominantly pyroxenitic source, i.e., they display normative nepheline compositions. Thus, in the case of mixing of magmas derived from heterogeneous source, the transition between hypersthene- and nepheline-normative compositions occurs for 30-40 % of pyroxenite melts, generated from 20-25 % of pyroxenite in the source. The origin of these lithologies in the subarc mantle is explained by the delamination of lower crustal cumulates consisting of clinopyroxene + amphibole. Nepheline-normative arc melt inclusions would record multi-stage mixing between clinopyroxenite and peridotite melts. In contrast, the compositional homogeneity of hypersthene-normative lavas would reflect a more advanced stage of mixing and differentiation, thereby reducing the pyroxenite signature in derived magmas