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Dynamique et chimie du manteau lithosphérique et asthénosphérique

O. Alard, P. Azais, F. Barou, J.L. Bodinier, D. Bosch, B. Boyer, J.M. Dautria, S. Demouchy, M. Godard, B. Ildefonse, S. Keshav, P. Machetel, D. Mainprice, C. Merlet, F. Parat, Thoraval, A. Tommasi, A. Vauchez

La dynamique du manteau fait l’objet d’études pluridisciplinaires et multi-échelles. Cette approche intégrée est se focalise sur la rhéologie des roches mantelliques et les processus d’interactions physico-chimiques à l’interface asthénosphère/lithosphère.
La rhéologie du manteau lithosphérique est étudiée en combinant les approches numériques, expérimentales et analytiques. De nouveaux modèles numériques multi-échelles avec une anisotropie mécanique évolutive montrent que l’anisotropie mécanique et les orientations cristallographiques de l’olivine jouent un rôle fondamental dans la tectonique des plaques, en contrôlant la réactivation d’anciennes structures lithosphériques lors de la formation de nouvelles limites de plaque (Knoll et al., 2009 ; Tommasi et al., 2009). Des expériences en torsion sur des agrégats d’olivine pré-hydratés montrent un impact relativement faible de l’hydrogène sur la rhéologie de l’olivine en cisaillement (30% de diminution de la contrainte relativement à des conditions anhydres ; Demouchy et al., 2012). De récentes expériences de déformation de cristaux et agrégats d’olivine à des températures entre 800 & 1100°C réalisées sur la presse Paterson à Montpellier, ont permis d’établir une nouvelle loi de fluage (exponentielle) pour la déformation de l’olivine à basse température (Demouchy et al., 2013), qui indique une résistance du manteau sommital bien inférieure (<500 MPa) à celle prédite à partir des données expérimentales de haute température ou d’indentation. Cette nouvelle loi permet de résoudre un paradoxe majeur de la tectonique de plaques : les forces produites par la convection mantellique étaient jusqu’à maintenant insuffisantes pour déformer une lithosphère non pré-affaiblie. L’analyse pétro-structurale de péridotites des massifs de Lanzo et Beni Bousera met en évidence des zones de cisaillement extensives d’échelle hecto- à kilométrique accommodant l’exhumation du manteau et l’amincissement de la lithosphère (Kaczmarek & Tommasi, 2011). La comparaison entre les observations dans les systèmes naturels et les observations sismologiques met en évidence la difficulté de contraindre les échelles de la localisation de la déformation dans le manteau lithosphérique (Vauchez et al., 2012).

Carte EBSD montrant la microstructure et les orientations cristallographiques d'un échantillon déformé à 950°C et évolution de la contrainte avec la température prédite par la nouvelle loi de fluage pour des taux de déformation expérimentaux (10-5 s-1, rouge) et géologiques (10-14 s-1, vert), comparée aux lois de fluage préexistantes (courbes noires).
Carte EBSD montrant la microstructure et les orientations cristallographiques d’un échantillon déformé à 950°C et évolution de la contrainte avec la température prédite par la nouvelle loi de fluage pour des taux de déformation expérimentaux (10-5 s-1, rouge) et géologiques (10-14 s-1, vert), comparée aux lois de fluage préexistantes (courbes noires).

Les études couplant l’analyse de la déformation et les évolutions pétrologique et géochimique dans les massifs de péridotite (Lherz, Ronda, Beni Bousera) mettent en évidence des fronts de percolation réactive de magmas, de déformation, et de fusion partielle qui se suivent dans l’espace (et probablement dans le temps), montrant que la percolation réactive de magmas joue un rôle fondamental dans la réjuvénation (ou asthénosphérisation) du manteau lithosphérique (Le Roux et al., 2009, Soustelle et al., 2009 ; Marchesi et al., 2010 ; Bodinier & Godard, 2013). La percolation réactive de magmas produit une refertilisation du manteau lithosphérique qui favorise la progression d’un front de fusion partielle. Elle favorise aussi la déformation, en diminuant la résistance de la lithosphère. Ces études ont aussi mis en évidence l’importance de la refertilisation magmatique dans la formation des pyroxénites mantelliques (Bodinier et al., 2008 ; Marchesi et al., 2013). L’analyse fine de péridotites imprégnées dans la partie sommitale de la section mantellique de l’ophiolite d’Oman et dans le massif de Lanzo ont permis de mieux contraindre les rétroactions entre déformation et magmas dans le manteau. La déformation en présence de faibles fractions de magma induit une ségrégation de celui-ci parallèlement au plan de cisaillement et un changement dans les orientations cristallographiques d’olivine (Higgie & Tommasi, 2012). Elle produit une anisotropie mécanique et modifie l’anisotropie sismique de la limite lithosphère-asthénosphère. Des modèles numériques de l’interaction panache-lithosphère ont permis d’établir des lois d’échelle pour la remontée de la limite lithosphère-asthénosphère due à la convection à petite échelle dans la couche sub-lithosphérique alimentée par le panache. L’intensité et la localisation de la remontée maximale de l’isotherme 1300°C, qui peut atteindre 30km, dépend essentiellement de la vigueur de montée du panache, et secondairement de la vitesse de la plaque (Agrusta et al., 2013). La fusion partielle produit une diminution de la densité du résidu et de la viscosité du manteau et modifie le champ de température, amenant, le plus souvent, un démarrage plus rapide de la convection à petite échelle.
Nos travaux sur des laves provenant de plusieurs districts cénozoïques répartis en Europe de l’Ouest et au Nord de l’Afrique apportent des contraintes nouvelles sur l’origine du magmatisme alcalin en contexte intraplaque. Ils mettent en évidence la participation importante de la composante Manteau lithosphérique dans ce magmatisme et le rôle des remontées asthénosphériques sous ces zones. Plusieurs épisodes métasomatiques de nature variée, caractéristiques d’une contribution d’une composante de manteau enrichi ont aussi été caractérisés (e.g., Dautria et al., 2010). Conjointement aux études sur les laves alcalines, nos travaux sur les xénolites remontés par celles-ci (France, Maroc, Algérie) ont permis de caractériser la nature et l’hétérogénéité du manteau lithosphérique, de contraindre la contribution de divers processus métasomatiques responsables d’une refertilisation diffuse de ce manteau et leur relation avec des variations latérales du géotherme sous les zones considérées (Dautria et al., 2010).
La composition des magmas primitifs issus de la fusion partielle dans le manteau est essentielle pour établir le lien entre les réservoirs mantelliques et les processus géodynamiques. Le travail expérimental et théorique sur une partie du cycle du carbone dans le manteau montre que les liquides carbonatitiques peuvent être générés dans une large gamme de profondeur. Certains diamants et leurs inclusions silicatées sont liés à des magmas carbonatitiques générés à 500-700 km de profondeur (Walter et al., 2008 ; Shirey et al., 2013). Les magmas carbonatitiques sont par ailleurs générés par immiscibilité avec les magmas silicatés à 60 km de profondeur (Keshav & Gudfinnsson, 2013).