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Lithosphère océanique

Transferts magmatiques et processus d’accrétion aux dorsales

Les dorsales sont un lieu unique d’échanges de matière et de chaleur entre asthénosphère, lithosphère, hydrosphère et biosphère. Nos projets concernant la formation de la croûte aux dorsales s’appuient sur l’analyse pétrologique, géochimique, tectonique et pétrophysique. Ils traitent des processus de transferts dans le manteau à l’aplomb des dorsales, de la nature de la croûte océanique et de sa formation.

Troctolite du puits IODP U1309D (photo de lame mince)

Participants : O. Alard, J.L. Bodinier, D. Bosch, F. Boudier, M. Godard, B. Ildefonse, Y. Lagabrielle, D. Mainprice, A. Nicolas


1. Le Manteau à l’aplomb des dorsales

Les péridotites abyssales et leurs homologues ophiolitiques sont considérés comme le résidu mantellique produit lors de la formation de la croûte océanique. Leur structure, ainsi que leur composition en majeurs et en traces (lithophiles, groupe des platinoïdes -PGE-), permettent de reconstituer les processus magmatiques dans le manteau à l’aplomb des dorsales. Les analyses effectuées sur les péridotites échantillonnées lors de la campagne ODP 209 ont permis de déterminer pour la première fois la composition multi-élémentaire des clinopyroxènes et des orthopyroxènes (phases dans lesquelles se concentrent les éléments lithophiles) sur des péridotites abyssales. Ces analyses montrent que ces minéraux ne sont en équilibre ni entre eux, ni avec la croûte océanique. Cette observation remet en question l’hypothèse classique selon laquelle ces roches sont des résidus de fusion partielle.
Deux modèles sont proposés pour expliquer la composition des péridotites abyssales :

1) les interactions magma-roches associées au transfert des magmas vers la surface effacent la signature magmatique primaire (fusion partielle) des péridotites traversées ;

2) la formation des péridotites abyssales n’est pas contemporaine de celle de la croûte océanique associée.

Sulfure dans une péridotite abyssale (photo de lame mince)

Notre caractérisons les déséquilibres chimiques entre les phases constitutives des péridotites et entre le manteau et la croûte océanique associée, afin de mieux comprendre leur origine. Nous travaillons sur des échantillons de péridotites océaniques abyssales, ainsi que sur les péridotites ophiolitiques (Oman, …). Ces dernières, par leur plus grande exposition, permettent de mieux contraindre les relations entre structures et variations compositionnelles. Ce travail se heurte cependant à deux obstacles majeurs : la grande pauvreté en éléments en trace lithophiles des péridotites océaniques et leur degré d’altération (>70%). Nous nous appuyons essentiellement sur l’acquisition de données multi-élémentaires par méthodes in situ (SIMS, LA-ICPMS). La réalisation de ce travail est fortement dépendante de l’utilisation d’un appareillage de mesure très sensible tel le HRICPMS pour la mesure des phases les plus petites et les plus pauvres (par exemple, l’olivine). Dans l’ophiolite d’Oman, les signatures géochimiques observées sont attribuées à des interactions magma/roche à deux interfaces majeures (le Moho et la base de la lithosphère), qui constituent des seuils de perméabilité durant l’activité de la dorsale.
Un autre moyen d’investigation de l’origine des péridotites océaniques est l’étude du comportement des sulfures et des PGE associés. L’étude des compositions élémentaire en PGE et isotopique en Os permet de dater l’âge de formation des péridotites et de caractériser un éventuel déséquilibre isotopique entre basaltes océaniques et péridotites.


Publications récentes

- Hanghoj, K., Kelemen, P., Hassler, D. and Godard, M., (2010), Composition and genesis of depleted mantle peridotites from the Wadi Tayin massif, Oman ophiolite. Major and trace element geochemistry, and Os isotope and PGE systematics. J. Petrol., 51(1&2) : 201-227, doi:10.1093/petrology/egp077
- Lorand J.P., Alard O., and Godard M. (2009) Platinum-group element signature of the Primitive Mantle rejuvenated by melt-rock reactions : evidence from Sumail peridotites (Oman Ophiolite). Terra Nova 21, 35-40, doi:10.1111/j.1365-3121.2008.00850.x
- Godard M., Lagabrielle Y., Alard O., and Harvey J. (2008) Geochemistry of the highly depleted peridotites drilled at ODP Sites 1272 and 1274 (Fifteen-Twenty Fracture Zone, Mid-Atlantic Ridge) : Implications for mantle dynamics beneath a slow spreading ridge. Earth and Planetary Science Letters 267, 410-425.
doi:10.1016/j.epsl.2007.11.058
- Lorand J.P., Luguet A., and Alard O. (2008) Platinum-group elements : A new set of key tracers for the earth’s interior, Elements 4, 247-252. doi:10.2113/GSELEMENTS.4.4.247
- Lorand J.P., Luguet A., Alard O., Bézos A., and Meisel T. (2008) Abundance and distribution of platinum-group elements in orogenic lherzolites ; a case study in a Fontete Rouge lherzolite (French Pyrénées). Chemical Geology. 248, 174-194. doi:10.1016/j.chemgeo.2007.06.030
- O’Reilly S.Y., Griffin W.L., Pearson N.J., Jackson S.E., Belousova E.A., Alard O., and Saeed A. (2008) Taking the pulse of the Earth : linking crust and mantle events. Australian Journal of Earth Sciences 55, 985-955. doi:10.1080/08120090802097450
- Bodinier J.L., and Godard M. (2007) Chapter 4 : Orogenic, ophiolitic and abyssal peridotites. In : K Turekian and H Holland (eds.) Treatise on Geochemistry Update 1 2.04, 1-73, Elsevier Ltd., Oxford. doi:10.1016/B0-08-043751-6/02004-1
- Kelemen P.B., Kikawa E., Miller D.J., and Shipboard Scientific Party* (2007) Leg 209 summary : processes in a 20-km-thick conductive boundary layer beneath the Mid-Atlantic Ridge, 14°–16°N. In : PB Kelemen, E Kikawa and DJ Miller (eds.) Proc. ODP, Sci. Results 209, 1–33. College Station, TX (Ocean Drilling Program). doi:10.2973/odp.proc.sr.209.001.2007 (* Ildefonse B, Godard M, Drouin M)
- Seyler M., Lorand J.P., Dick H.J.B., and Drouin M. (2007) Pervasive melt percolation reactions in ultra-depleted refractory harzburgites at the Mid-Atlantic Ridge, 15° 20′N : ODP Hole 1274A. Contributions to Mineralogy and Petrology 153, 303-319.
doi:10.1007/s00410-006-0148-6
- Godard M., Bosch D., and Einaudi F. (2006) A MORB source for low-Ti magmatism in the Semail ophiolite. Chemical Geology 234, 58-78. doi:10.1016/j.chemgeo.2006.04.005
- Harvey J., Gannoun A., Burton K.W., Rogers N.W., Alard O., and Parkinson I.J. (2006) Ancient melt extraction from the oceanic upper mantle revealed by Re-Os isotopes in abyssal peridotites from the mid-Atlantic ridge. Earth and Planetary Science Letters 244, 606-621. doi:10.1016/j.epsl.2006.02.031
- Paulick H., Bach W., Godard M., Hoog C.J., Suhr G., and Harvey J. (2006) Geochemistry of abyssal peridotites (Mid-Atlantic Ridge, 15°20’N, ODP Leg 209) : implications for fluid/rock interaction in slow spreading environments. Chemical Geology 234, 179-210. doi:10.1016/j.chemgeo.2006.04.011
- Alard O., Luguet A., Pearson N.J., Griffin W.L., Lorand J.P., Gannoun A., Burton K.W., and O’Reilly S.Y. (2005) In- situ Os isotopes in abyssal peridotites : bridging the “isotopic gap” between MORB and their source mantle, Nature 436, 1005-1008.
doi:10.1038/nature03902


2. Formation et nature de la croûte océanique

A ce jour, notre vision de la nature et de la structure de la croûte océanique inférieure est largement contrainte par les analogues ophiolitiques comme l’ophiolite d’Oman . Certains problèmes restent néanmoins mal compris, tels que le/les mode(s) de genèse des gabbros de la croûte inférieure et des différents types de litage observés dans ces gabbros, les processus d’extraction et de migration du liquide basaltique dans les gabbros partiellement cristallisés vers la croûte supérieure, ou la subsidence de gabbros partiellement cristallisés à partir de la lentille liquide en toit de chambre. Une caractérisation systématique des fabriques cristallographiques et des signatures géochimiques ponctuelles associées aux différents types de gabbros observés dans les ophiolites et dans la croûte actuelle doit permettre de mieux contraindre leurs modes de formation.
Dans la croûte océanique actuelle, deux stratégies sont possibles pour parvenir à échantillonner la croûte inférieure in situ aux dorsales rapides :

1) Forer la croûte dans son ensemble, jusqu’aux péridotites du manteau. Cet objectif sera, à terme celui du projet de forage très profond Mohole , engageant la communauté dans le cadre du programme IODP pour les 10 à 15 années à venir dans un effort concerté et international de forage de la croûte océanique jusqu’au Moho et aux péridotites du manteau supérieur.
Une première étape importante a été franchie fin 2005, avec, pour la première fois dans le Puits ODP 1256D, le forage de l’ensemble de la croûte supérieure basaltique, jusqu’à la transition gabbro / complexe filonien. La récente expédition IODP 335 (Mai-Juin 2010) était consacrée à approfondir ce puits pour atteindre les gabbros de la croûte inférieure ; les difficultés techniques rencontrées renvoient cet objectif à un futur retour à 1256D. Le fond du puits représente un échantillonnage unique de la couche limite thermique entre les systèmes magmatiques et hydrothermal aux dorsales rapides.

2) Echantillonner les gabbros de la croûte inférieure sur un site où ils affleurent. C’est l’objectif principal de l’expédition IODP 345 à Hess Deep, à proximité de la dorsale Est-Pacifique. Cette campagne a été précédée par une mission de cartographie et d’échantillonnage par submersible télé-opéré (ROV) à bord du navire anglais RSS James Cook en 2008.
Nous sommes aussi étroitement associés à un projet de forage ICDP dans l’ophiolite d’Oman.

filon basaltique à texture granoblastique, puits ODP 1256D (photo de lame mince)

Aux dorsales lentes, la croûte inférieure est plus facilement accessible, par dragage, submersible, ou forage, en raison de l’hétérogénéité de la lithosphère. Le laboratoire est présent dans les campagnes de forages aux dorsales lentes depuis 1997 et a aussi participé à des campagnes océanographiques dans l’Océan Indien et dans l’Atlantique (Site Rainbow). Les travaux menés à Géosciences Montpellier permettent notamment de contraindre les interactions entre magmatisme et tectonique contrôlant les mécanismes d’accrétion aux dorsales lentes.

La lithosphère océanique fossile des ophiolites est un complément indispensable à l’étude de la lithosphère océanique actuelle.Certaines ophiolites analogues de systèmes d’accrétion lents et/ou de transition océan-continent, (par exemple le massif d’Erro-Tobbio dans les Alpes ligures), sont étudiés en complément des projets de campagne en mer et comparées aux observations les plus récentes en puits de forage. L’ophiolite d’Oman reste un terrain d’étude privilégié de notre laboratoire ; les filons granoblastiques et gabbros complexes de la zone de transition entre les systèmes hydrothermal et magmatique ont été étudiés en détail dans l’ophiolite d’Oman par plusieurs membres du laboratoire.

Troctolites litées du massif d’Erro-Tobbio (Alpes Ligures, Italie)

Publications récentes :

- Teagle, D.A.H., Ildefonse, B., Blum, P., and the IODP Expedition 335 Shipboard Scientists, 2012. Battling through the thermal boundary layer : Deep sampling in ODP Hole 1256D during IODP Expedition 335. Scientific Drilling, in press.
- Blackman, D.K., Ildefonse, B., John, B.E., Ohara, Y., Miller, D.J., Abe, N., Abratis, M.W., Andal, E.S., Andreani, M., Awaji, S., Beard, J.S., Brunelli, D., Charney, A., Christie, D., Delacour, A.G., Delius, H., Drouin, M., Einaudi, F., Escartin, J., Frost, B.R., Fryer, P.B., Gee, J.S., Godard, M., Grimes, C.B., Halfpenny, A., Hansen, H.-E., Harris, A.C., Tamura, A., Hayman, N.W., Hellebrand, E., Hirose, T., Hirth, J.G., Ishimaru, S., Johnson, K.T.M., Karner, G.D., Linek, M., Maeda, J., Mason, O.U., MacLeod, C.J., McCaig, A.M., Michibayashi, K., Morris, A., Nakagawa, T., Nozaka, T., Rosner, M., Searle, R.C., Suhr, G., Tominaga, M., von der Handt, A., Yamasaki, T. and Zhao, X., 2011. Drilling constraints on lithospheric accretion and evolution at Atlantis Massif, Mid-Atlantic Ridge 30°N., (2011) J. Geophys. Res., 116 (B07103),
doi:10.1029/2010JB007931.
- Boudier, F. & Nicolas, A. (2011) Axial melt lenses at oceanic ridges – A case study in the Oman ophiolite. Earth Planet. Sci. Lett., 304, 313-325,
doi:10.1016/j.epsl.2011.01.029
- Koepke, J., France, L., Mueller, T., Faure, F., Goetze, N., Dziony, W., and Ildefonse, B., 2011. Gabbros from IODP Site 1256 (Equatorial Pacific) : Insight into axial magma chamber processes at fast-spreading ocean ridges, Geochem. Geophys. Geosyst., 12, Q09014, doi:10.1029/2011GC003655.
- Morales, L. F. G., Boudier . and Nicolas A. (2011) Microstructures and crystallographic preferred orientation of anorthosites from Oman ophiolite and the dynamics of melt lenses, Tectonics, 30, TC2011 doi:10.1029/2010TC002697.
- Nicolas, A. & Boudier, F. (2011) Structure and dynamics of ridge axial melt lenses in the Oman ophiolite. J. Geophys. Res., 116, B03 103, doi:10.1029/2010JB007934.
- Teagle, D., and Ildefonse, B. (2011) Journey to the Mantle of the Earth, Nature, 471, 437-439,
doi:10.1038/471437a.
- Drouin, M., Ildefonse, B., and Godard, M. (2010). A microstructural imprint of melt impregnation in slow-spread lithosphere : olivine-rich troctolites from the Atlantis Massif (Mid-Atlantic Ridge 30°N, IODP Hole U1309D). Geochem. Geophys. Geosyst., 11, Q06003. doi:10.1029/2009GC002995.
- France L., Ildefonse B., Koepke J., Bech F. (2010). A New Method to Estimate the Oxidation State of Basaltic Series from Microprobe Analyses. Journal of Volcanology and Geothermal Research, 189, 340-346
doi:10.1016/j.jvolgeores.2009.11.023.
- France, L., Koepke, J., Ildefonse, B., Cichy, S.B., Deschamps, F. (2010). Hydrous partial melting in the sheeted dike complex at fast spreading ridges : Experiments and nature. Contributions to Mineralogy and Petrology, 160, 683-704. doi:10.1007/s00410-010-0502-6
Meshi A., Boudier F., Nicolas A., and Milushi I. (2010) Structure and tectonics of lower crustal and upper mantle rocks in the Jurassic Mirdita ophiolites, Albania. International Geology Review, 52 : 117 - 141, doi:10.1080/00206810902823982.
- Violay, M., Pezard, P.A., Ildefonse, B., Belghoul, A., Laverne, C., (2010) Petrophysical properties of the root zone of sheeted dikes in the ocean crust : a case study from Hole ODP/IODP 1256D, Eastern Equatorial Pacific. Tectonophysics, 493, 139–152
doi:10.1016/j.tecto.2010.07.013.
- Ildefonse, B., Abe, N., Blackman, D.K., Canales, J.P., Isozaki, Y., Kodaira, S., Myers, G., Nakamura, K., Nedimovic, M., Skinner, A.C., Seama, N., Takazawa, E., Teagle, D.A.H., Tominaga, M., Umino, S., Wilson, D.S., M., Y., 2010. The MoHole : A Crustal Journey and Mantle Quest, Workshop in Kanazawa, Japan, 3–5 June 2010. Scientific Drilling 10, 56-62
doi:10.2204/iodp.sd.10.07.2010
- Drouin M., Godard M., Ildefonse B., Bruguier O., Garrido C. (2009) In situ geochemistry of olivine-rich troctolites (IODP Hole U1309D, Atlantis Massif, Mid-Atlantic Ridge, 30°N) : a record of magmatic impregnation in the lower oceanic crust. Chem. Geol. 264, 71-88. doi:10.1016/j.chemgeo.2009.02.013
- France, L., Ildefonse, B., and Koepke, J. (2009). Interactions between magma and hydrothermal system in Oman ophiolite and in IODP Hole 1256D : fossilization of a dynamic melt lens at fast spreading ridges. Geochem. Geophys. Geosyst., 10, Q10O19, doi:10.1029/2009GC002652
- Godard M., Awaji S., Hansen H., Hellebrand E., Brunelli D., Johnson K., Yamasaki T., Maeda J., Abratis M., Christie D., Kato Y., Mariet C., and Rosner M. (2009) Geochemistry of a long in-situ section of intrusive slow-spread oceanic lithosphere : Results from IODP Site U1309 (Atlantis Massif, 30°N Mid-Atlantic-Ridge) Earth Planet. Sci. Lett. 279, 110-122.
doi:10.1016/j.epsl.2008.12.034
- Machetel P., and Garrido C.J. (2009) A thermo-mechanical numerical model for crustal accretion of medium- to fast spreading mid-ocean ridges, Geochemistry Geophysics Geosystems 10, Q03008. doi:10.1029/2008GC002270
- Nicolas A., Boudier F., France L. (2009) Subsidence in magma chamber and the development of magmatic foliation in Oman ophiolite gabbros. Earth Planet. Sc. Lett. 284, 76-87. doi:10.1016/j.epsl.2009.04.012
- Miller D.J., Abratis M., Christie D., Drouin M., Godard M., Ildefonse B., Maeda J., Weinsteiger A., Yamasaki T., Suzuki Y., Niino A., Sato Y., and Takeda F. (2009) Data Report : Microprobe analyses of primary mineral phases (plagioclase, pyroxene, olivine, and spinel) from Site U1309, Atlantis Massif, Integrated Ocean Drilling Program Expedition 304/305. In : Blackman, D.K., Ildefonse, B., John, B.E., Ohara, Y., Miller, D.J., MacLeod, C.J., and the Expedition 304/305 Scientists, 2006. Proc. IODP, 304/305 : College Station TX (Integrated Ocean Drilling Program Management International, Inc.). doi:10.2204/iodp.proc.304305.202.2009
- Nicolas A., Boudier F., Koepke J., France L., Ildefonse B., and Mével C. (2008) Root zone of the sheeted dike complex in the Oman ophiolite. Geochemistry, Geophysics and Geosystems 9, Q05001, doi:10.1029/2007GC001918
- Ildefonse B., Blackman D.K., John B.E., Ohara Y., Miller D.J., MacLeod C.J., and the IODP Expeditions 304-305 Scientists* (2007) Oceanic core complexes and crustal accretion at slow-spreading ridges. Geology 35, 623-626.
doi:10.1130/G23531A.1 (* Godard M, Drouin M)
- Ildefonse B., Rona P.A., and Blackman D.K. (2007) Drilling the Crust at Mid-Ocean Ridges : An "In Depth" Perspective. Oceanography 20, 22-33.
- Ildefonse B., Christie D.M., and Mission Moho Workshop Steering Committee (2007) Mission Moho workshop : drilling through the oceanic crust to the Mantle. Scientific Drilling 4, 11-18. doi:10.2204/iodp.sd.4.02.2007
- Dick H.J.B., Natland J.H., and Ildefonse B. (2006) Past and future impact of deep drilling in the ocean crust and mantle : an evolving order out of new complexity. Oceanography 19, 72-80.
- Blackman D.K., Ildefonse B., John B.E., Ohara Y., Miller D.J., MacLeod C.J., and Expedition 304/305 Scientists* (2006) Proc. IODP, 304/305 : College Station TX (Integrated Ocean Drilling Program Management International, Inc.).
doi:10.2204/iodp.proc.304305.2006 (* Godard M, Drouin M)