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Processus de différenciation

O. Alard, S. Demouchy, S. Keshav, F. Parat.

Corrélations entre éléments chalcophiles et sidérophiles dans des xénolites mantelliques et cartographie chimique de sulfures.
Corrélations entre éléments chalcophiles et sidérophiles dans des xénolites mantelliques et cartographie chimique de sulfures.

La nécessité d’appréhender les processus de différenciation à l’échelle du minéral nous a amené à développer une approche originale s’appuyant sur l’intégration des données minéralogiques et pétrologiques avec une géochimie intégrée (multi-traceurs) à l’échelle micrométrique. La micro-analyse est donc plus que jamais au centre de cette thématique. Nous avons incorporé de nouvelles techniques analytiques (ex. FTIR) et expertises (pétrologie expérimentale et thermodynamique), et élargi notre éventail de traceurs, notamment vers les éléments volatils (ex. H, C, S, Se, Te).
Nous avons obtenu par LA-(HR)-ICPMS des données de qualité sur la teneur en éléments traces des olivines et des silicates coexistant (pyroxènes, verre) dans les chondres des chondrites carbonées. Ces données, difficile à acquérir, permettent de discuter plus avant la différenciation de la matière primordiale du système solaire, via les différentes théories sur l’origine de ces chondrites. Ainsi, les fractionnements des terres rares et la cinétique relative de cristallisation et de refroidissement des olivines et enstatites montrent que les chondres se sont formés lors de deux évènements distincts (Jacquet et al., 2012). De même l’abondance des éléments sidérophiles dans les grains de métal (CR2) indique une formation polyphasée durant plusieurs événements thermiques distincts.
La composition du manteau primitif, ou "Terre silicatée" pour les éléments sidérophiles et chalcophiles reste mal connue. Il est difficile de discerner les caractères hérités/primitifs des signatures dues aux processus de percolation/réaction et refertilisation/réjuvénation magmatique. Nous avons conduit plusieurs études dans les massifs pyrénéens, en Oman et dans les péridotites abyssales, en collaboration avec J.-P. Lorand (MNHN, Paris). En nous focalisant sur les fractionnements élémentaires et isotopiques de ces éléments dans les microphases sulfurées, nous démontrons le caractère métasomatique systématique des signatures géochimiques, jusqu’alors considérées comme primitives (e.g., Lorand et al., 2010, 2011 ; Alard et al., 2011). L’importance des éléments volatils et des conditions de fugacité d’oxygène dans le fractionnement et la mobilité des éléments sidérophiles et chalcophiles est cruciale. Dans cette optique nous avons aussi développé de nouveaux traceurs comme le fractionnement de S-Se et Te (Lorand et al., 2011) et les isotopes du S (par sonde ionique), et nous nous intéressons à l’abondance et à la spéciation des éléments volatils dans le manteau (Keshav et al., 2011 ; Parat et al., 2011).
La différenciation du manteau terrestre est abordée via la signature isotopique du manteau lithosphérique, la question du recyclage de la croûte océanique, ou encore la composition des liquides magmatiques générés par fusion partielle. Les travaux sur les péridotites du massif de Lherz et dans les xénolites d’Illizi (Algérie) ont montré les effets des processus de percolation sur la signature isotopique du manteau lithosphérique (Le Roux et al., 2009-M64 ; Kaczmarek et al., en révision). Dans les conditions du manteau lithosphérique, les compositions isotopiques ne reflètent pas seulement les sources (protolithe solide et liquide percolant) comme il est communément admis, mais aussi les processus de percolation et leurs cinétiques. Les caractéristiques géochimiques des xénolites d’éclogites dans les kimberlites ont souvent été interprétées en terme de croûte océanique altérée, hydrothermalisée et recyclée et donc utilisées pour suggérer l’existence à l’Archéen de processus de subduction. L’étude des éclogites de "Robert Victor" et de leurs sulfures (collaboration GEMOC, Australie) a montré que ces sulfures ont des minéralogies et des compositions élémentaires et isotopiques similaires aux sulfures métasomatiques des péridotites, et bien différents des sulfures océaniques et hydrothermaux (Gréau et al., 2013-M216). Les éléments volatils jouent un rôle prépondérant lors des processus de fusion partielle du manteau et de genèse et différenciation des magmas mafiques. L’approche développée a consisté en des études pétro-géochimiques, expérimentales et thermodynamiques combinées. Elle a permis de déterminer les teneurs, la spéciation et les fugacités des éléments volatils (OH, S, Cl, F) dans le manteau (Keshav et al., 2011-M154) et dans les magmas (Parat et al., 2011-M171, 2011-M172), l’origine des fluides, et de modéliser le comportement des éléments volatils et les différents processus aux différentes étapes de la différenciation des magmas (Parat et al., 2008, 2011-M171 ; Almeev et al., 2012-M177).