Application of the 138La-138Ce isotopic system in intra-oceanic subduction zones : the Lesser Antilles and Mariana

Les terres rares sont des éléments chimiques au comportement très proche. Elles regroupent deux systèmes radioactifs de longue vie: 138La-138Ce (T1/2 = 292.5 Ga) et 147Sm-143Nd (T1/2= 106 Ga). Le Ce présente la particularité de s’oxyder sous forme 4+ dans les milieux supergènes alors que les autres terres rares sont présentes sous forme trivalente (3+). Ce comportement particulier du cérium induit une forte anomalie négative en Ce dans l’eau de mer et dans les sédiments se formant en équilibre avec l’eau de mer (sédiments biogènes et authigènes). L’étude du rapport 138Ce/142Ce peut apporter des informations concernant la nature des sédiments recyclés au cours des processus de subduction, et plus particulièrement sur la participation de sédiments authigènes et biogènes puisque de nombreuses laves sont caractérisées par des anomalies négatives en cérium. L’étude du système 138La-138Ce a été développée dans les années 80. Le temps de demi-vie du système étant important, et l’abondance du 138La faible, les variations du rapport isotopique 138Ce/142Ce sont toujours faibles. Nous proposons donc de reconsidérer l’étude du système 138La-138Ce avec la nouvelle génération de spectromètre de masse. Les mesures isotopiques du Ce sont réalisées sous forme oxyde sur un spectromètre de masse à thermo-ionisation. La précision analytique obtenue, après correction du fractionnement de masse de l’oxygène et de l’effet de queue de pic du 140Ce, est de 40 ppm sur une même session analytique. Une grande quantité de données ont été obtenues sur les standards de Ce AMES et JMC-304, ainsi que sur les standards de roche BCR-2 et BHVO-2. Deux zones de subduction intra-océaniques présentant des contextes géodynamiques contrastés ont été étudiées: les Petites Antilles et les Mariannes. Nous avons analysé les rapports isotopiques 138Ce/142Ce des laves, des sédiments provenant des piles sédimentaires forées en amont des fosses ainsi que des MORB dans le but de mieux caractériser la nature des sédiments participants à la genèse des laves. Les laves de la Martinique (Petites Antilles) présentent de grandes variabilités isotopiques en Ce et corrèlent avec les isotopes du Nd. L’origine des anomalies en cérium des laves ne peut pas être attribuée uniquement au composant sédimentaire participant à la genèse des laves. Dans le cas des Mariannes, les rapports isotopiques en Ce et Nd sont très homogènes. Des mélanges binaires solide-fluide entre le coin de manteau et les sédiments potentiellement subduits nous permettent de déterminer que les anomalies négatives en Ce des laves proviennent de la participation de fluides issus de la fusion partielle des sédiments biosiliceux (entre 1.5 et 7%).Elements from the Rare Earth Elements have very close chemical behavior. They include two long-lived isotope systems: 138La-138Ce (T1/2 = 292.5 Ga) and 147Sm-143Nd (T1/2 = 106 Ga). Ce displays a specific behavior in supergene environments. For example in seawater cerium is oxidized in Ce (IV) whereas other rare earth elements are present in a trivalent state (3+). Thus, seawater rare earth element patterns are characterized by strong negative Ce anomalies. The sediments formed in equilibrium with seawater (biogenic and authigenic sediments) present similar chemical characteristics. The study of the 138Ce/142Ce ratio in lavas formed in subduction settings is able to bring additional information regarding the nature of recycled sediments, and more particularly the participation of authigenic materials in the genesis of these lavas since negative Ce anomalies are commonly measured in these samples. 138Ce/142Ce variations are always small given the long half-life of the parent isotope and its small abundance. Although the study of 138La-138Ce systematics has been developed during the 80’s, we propose here to reinvestigate its use as a potential tracer of recycled sediment with the new generation of mass spectrometers. The Ce isotopic compositions are measured in oxide species on a thermal ionization mass spectrometer. The analytical precision defined on the same analytical session is about 40 ppm after correction of oxygen mass fractionation and considering the tailing effect of 140Ce on lower masses. A large amount of data has been obtained on two artificial Ce standards (AMES and JMC-304), and on two rock standards (BCR-2 and BHVO-2). Two intra-oceanic subduction zones with contrasting geodynamic settings have been studied: the Lesser Antilles and the Marianas. We have analyzed the 138Ce/142Ce ratio on lavas, sediments drilled in front of the trenches, and MORB, in order to better characterize the nature of the sediments incorporated in the mantle wedge. A large Ce isotopic variability and correlation with Nd isotopes is observed for the Martinique lavas (Lesser Antilles). The origin of Ce anomalies of lavas cannot only be attributed to the participation of sediments at the source of the lavas. Marianas lavas present very similar Ce and Nd isotopic ratios. Binary solid-fluid mixing between the mantle wedge and sediments potentially subducted permits to assess the origin of the Ce anomalies to the participation of fluids coming from the partial melting of biosiliceous sediments (1.5% to 7%)