Approches pétrogéochimique et géomathématique de la cyclicité magmatique en contexte d'accrétion océanique : de la fusion partielle aux séquences de réalimentation/vidange des réservoirs crustaux.

Tuteurs:Mathieu Benoit (UMR6538 Domaines Océaniques)Eric Rannou (UMR6205 Laboratoire de Mathématiques)The present studies, based on geochemical and petrographic features of mid-ocean ridge lavas, permitted constraining the temporal evolution of a magma reservoir and the partial melting of the mantle source beneath the spreading ridge axes. In lack of constraints about absolute ages, the relative chronology between samples has been constrained from their geographic and stratigraphic relationships. In a first step, a geomathematic model has been elaborated to track the evolution of a periodically replenished magma chamber. The flux of replenishment magma evolves sinusoidally through time. The application of the model to a natural site requires the constraint of the amplitude of the chemical variations in lavas recovered by a high quality sampling. Besides, geological input parameters have to be approached through hypotheses on magma reservoir geometry and physical-thermal state. The geochemical resolution approach of this model has been applied to three accretion sites: the East Pacific Rise (EPR), the North Fiji Basin propagator, and the Juan de Fuca Ridge (JdF). For the North Fiji propagator and the JdF, the incompatible trace element compositions calculated for the replenishment liquid perfectly fit those determined from experimental constraints. For the EPR and the JdF, the periodicity of the magma chamber evolution has been determined (750 and 1000 years, respectively). The geomathematic model is thus useful to characterize the instantaneous flux of magma through the reservoir and is a complement to geomorphological and geophysical studies that estimate the mean magma budget periodicity. The second part of the dissertation applies to dikes and lavas that outcrop at the southern tip of the JdF, along both flanks of the West Blanco Depression. The Sr-Nd isotope compositions have been used to characterize a heterogeneous mantle beneath the Blanco fracture zone. The mantle is composed of highly depleted peridotites, isotope compositions of which are close to a pure mantle end-member, veined with a more enriched component. The kinematic regime at the southern tip of the JdF, evolving from propagation to accretion, might have play a role in the remelting at the JdF axis of a residual mantle source, previously melted beneath a propagating segment. Besides, precise analyzes of zoning patterns in plagioclase phenocrysts and xenocrysts have highlighted the mixing in the magma chamber between H2O-bearing dacitic melts and anhydrous mafic melts. For cogenetic lavas, based on the depth fluctuations of the magma differentiation proxy Mg#, such mixings have been interpreted as evidence for episodic replenishment of the magma chamber. The results of the geomathematic model, but also of the more experimental interpretations, suggest that the replenishment liquid is a basaltic N-MORB (Mg#~68.5). Then, in a third study, the examined lavas have been collected transversally to the Central Indian Ridge axis around 19°S, a complex ridge portion, potentially interacting with the Réunion hotspot. The Sr-Nd isotope compositions have highlighted a significant fluctuation of the mantle source through time. Some compositions tend toward those of the Gasitao off-axis volcanic ridge, suggesting a ridge-hotspot interaction. However, most of the compositions require the consideration of an additional enriched mantle component, also involved in the genesis of the volcanic Rodrigues Island. Besides, to reproduce the incompatible trace element enrichment of these lavas, both variations of the melting degree and of the mantle source are required. The repartition of the enriched lavas along the profile then suggests that the melting rate fluctuates periodically, over a period of 200-250 Ky.Les études présentées dans ce mémoire ont permis de cerner, à partir des caractéristiques géochimiques et pétrographiques des laves émises en contexte d'accrétion océanique, l'évolution temporelle du fonctionnement des réservoirs magmatiques et de la fusion partielle du manteau supérieur à l'axe des dorsales océaniques. En l'absence de datations absolues fiables sur les laves étudiées, la chronologie relative entre les échantillons a été approchée par des méthodes complémentaires, basées sur les relations géographiques et stratigraphiques des échantillons. Dans un premier temps, un modèle géomathématique a été élaboré afin de retracer l'évolution d'une chambre magmatique soumise à une réalimentation fluctuant de manière sinusoïdale au cours du temps. L'application de ce modèle à un site naturel nécessite de contraindre l'amplitude des variations chimiques des laves par un échantillonnage de qualité ainsi que d'autres paramètres géologiques, impliquant quant à eux de nombreuses hypothèses sur la géométrie et l'état physico-thermique du réservoir magmatique. L'approche géochimique de ce modèle a été appliquée à trois sites naturels, la dorsale Est Pacifique (EPR), le propagateur du Bassin Nord Fidjien et la dorsale Juan de Fuca (JdF). Par deux fois, les compositions en éléments en trace incompatibles des liquides de réalimentation déduites du modèle géomathématique ont reproduit celles calculées sur des bases expérimentales. Pour deux des sites (EPR et JdF), les périodes des cycles de fonctionnement du réservoir magmatique ont également pu être déterminées (750 et 1000 ans pour l'EPR et la dorsale JdF, respectivement). Ce modèle géomathématique permet ainsi de caractériser les flux instantanés de magma au sein des réservoirs et complète les études géomorphologiques et géophysiques estimant quant à elles la périodicité de l'apport magmatique moyen, du manteau vers la croûte. La seconde partie du mémoire porte sur les dykes et les coulées volcaniques affleurant à l'extrémité sud de la dorsale JdF, le long des flancs de la Dépression Ouest Blanco. Les compositions isotopiques Sr-Nd des échantillons ont permis de caractériser un manteau hétérogène sous la zone de fracture Blanco, constitué de péridotites très appauvries, proches d'un pôle mantellique pur, veinées de matériel plus enrichi. Le régime cinématique de cette zone, évoluant de la propagation à l'accrétion, semble avoir permis la refusion à l'axe de la dorsale JdF d'un manteau résiduel, ayant préalablement fondu sous un segment en propagation. Parallèlement, l'analyse des zonations des phénocristaux et xénocristaux de plagioclase a mis en évidence des phénomènes de mélange entre des magmas dacitiques riches en eau et des magmas basaltiques. Les fluctuations de l'indice de différenciation Mg# en fonction de la position stratigraphique de laves cogénétiques ont permis d'expliquer ces mélanges en terme de réalimentation épisodique du réservoir magmatique. L'application du modèle géomathématique suggère que le magma réalimentant le réservoir correspondrait à un MORB-N basaltique (Mg#~68,5). Dans le troisième volet, les laves étudiées ont été prélevées transversalement à l'axe de la dorsale Centrale Indienne vers 19°S, une zone cinématiquement complexe de part la possible contamination du manteau supérieur indien par le point chaud de la Réunion à ces latitudes. Les compositions isotopiques Sr-Nd des laves ont mis en évidence une fluctuation significative de la nature de la source mantellique au cours du temps. Certaines compositions convergent vers celles des basaltes de la ride volcanique hors-axe Gasitao et reflèteraient ainsi une interaction entre le point chaud de la Réunion et la dorsale. Néanmoins, une telle interaction ne pourra être confirmée qu'après l'acquisition des compositions isotopiques en plomb de ces échantillons. La majorité des rapports isotopiques Sr-Nd des laves du profil nécessite cependant de considérer un composant mantellique enrichi additionnel, dont la nature reste à contraindre mais qui s'exprimerait également au niveau de l'île volcanique Rodrigues. Par ailleurs, afin de reproduire l'enrichissement en éléments incompatibles de certains de ces échantillons il est nécessaire d'envisager une covariation du degré de fusion et de la nature de la source. La distribution des laves enrichies le long du profil suggère alors une fluctuation du degré de fusion au cours du temps, à première vue périodique (période de 200-250 Ka)