Hydrater le manteau ne l'affaiblit pas toujours...

Mercredi, 15 novembre 2017

Une collaboration entre chercheurs du laboratoire Géosciences Montpellier (Géosciences Montpellier/OREME, CNRS / Université Montpellier / Université Antilles) et de l'IGG-CNR Pavia (IT) montre que l'introduction d'eau dans les roches du manteau terrestre ne diminue pas obligatoirement sa résistance à la déformation sur le long terme…

Il est communément accepté que l'incorporation d'eau dans le manteau produit un adoucissement, c'est à dire une réduction de la résistance à la déformation. Toutefois, l'incorporation de l'eau provenant de la surface de la planète via les zones de subduction dans le manteau prend différentes formes en fonction des conditions de pression et de température auxquelles ce processus se produit. En effet, les réactions de déshydratation de la plaque subduite produisent un fluide aqueux, qui peut :

  • mener à la cristallisation de minéraux hydratés, tels que des amphiboles,
  • abaisser la température de fusion des roches mantelliques, produisant des magmas hydratés,
  • se dissocier et être incorporé sous la forme H+ dans des défauts de la maille cristalline de minéraux nominalement anhydres qui composent l'essentiel du manteau supérieur : l'olivine et les pyroxènes,
  • rester sous la forme de fluides aqueux qui vont migrer à travers les roches mantelliques en réagissant avec celles-ci.

Schéma montrant les différents processus mis en jeu lors de l’hydratation du manteau à l’aplomb d’une subduction. Les réactions de déshydratation dans la plaque subduite produisent un fluide aqueux qui, en fonction des conditions de pression et température, peut: (1) mener à la cristallisation de minéraux hydratés, (2) abaisser la température de fusion du manteau produisant des minéraux hydratés, (3) se dissocier et être incorporé sous la forme H+ dans l'olivine et les pyroxènes, ou (4) rester sous la forme de fluide aqueux. Ces différents processus ont des conséquences très diverses sur la déformation des roches mantelliques. Ces différents processus ont des conséquences très diverses sur la déformation des roches mantelliques. Des études expérimentales antérieures indiquent que l'incorporation de H+ sur le comportement mécanique de l'olivine produit un adoucissement limité (réduction d’un facteur 3 des contraintes nécessaires pour produire une déformation à une vitesse imposée), alors que la présence de basaltes hydratés induit une décroissance de la résistance mécanique d’un facteur 100. Aucune expérience ne contraint l'effet de la présence de fluides aqueux ou de minéraux hydratés, comme les amphiboles ou le phlogopite, sur le comportement mécanique des roches mantelliques.

L'étude de la déformation des péridotites à amphibole et phlogopite de Finero, dans les Alpes italiennes, apporte des réponses claires à ces questions. L'analyse conjointe des assemblages minéralogiques et des structures indique que ces péridotites ont été déformées de façon pervasive en présence de magmas contenant H2O et CO2 à des températures entre 980 et 1080°C et des pressions inférieures à 2GPa. Elle montre aussi que cette déformation s'est poursuivie sous des conditions de température décroissante, en absence de magmas, mais sous une forme localisée, dans des zones de cisaillement métriques à centimétriques.

L'analyse des microstructures et l'étude des orientations cristallographiques des différents minéraux par EBSD (Electron backscattering diffraction) réalisées à Géosciences Montpellier indiquent qu'en présence de magmas hydratés, la déformation des roches mantelliques ne se fait pas de façon prédominante par fluage dislocation. Le transport de matière par le magma et la migration des joints de grain y jouent un rôle fondamental, produisant des péridotites à gros grain avec une forte foliation marquée par l'allongement des olivines. L'activation de ces mécanismes de déformation induit une importante décroissance de la résistance mécanique du manteau lithosphérique, permettant une déformation pervasive sous faible contrainte. Ces résultats corroborent donc les rares expériences qui indiquaient un fort adoucissement mécanique dû à la présence de magmas hydratés.

Microstructures des péridotites de Finero - cartes EBSD illustrant la distribution des phases minérales et les formes de grain (à gauche) et photomicrographies en lumière polarisée illustrant leur déformation (à droite). (a) Péridotite à amphibole (parg), présentant la microstructure typique de la déformation pervasive du massif en présence de magmas hydratées, caractérisée par des olivines (ol) plurimillimétriques dont l'allongement marque la foliation et des pyroxènes (opx) aux formes irrégulières, parfois interstitielles. (b) Péridotite protomylonitique, enregistrant la déformation en absence de magmas, caractérisée la recristallisation partielle des olivines, formant une matrice à grain fin (flèches). Il est à noter le contraste entre l'importante déformation de l'olivine (extinction onduleuse, sous-grains, recristallisation) et la très faible déformation des amphiboles (parg). En revanche, l'analyse de la déformation des domaines externes des zones de cisaillement, qui enregistrent la déformation en absence de magmas montre que les amphiboles et le phlogopite ne jouent pas un rôle de phases faibles localisant la déformation, même quand ces minéraux hydratés forment jusqu'à 20 % du volume de la roche. La déformation y est accommodée essentiellement par l'olivine, qui recristallise à grain fin, et par l'orthopyroxene, qui est remobilisé par des processus de pression-dissolution.
 
Cette étude montre donc que la percolation de magmas hydratés dans le manteau lithosphérique produit une forte décroissance de sa résistance mécanique, mais que cet adoucissement est transitoire, cessant lors de la cristallisation ou extraction des magmas.

Ce travail a été effectué dans le cadre du projet CNRS-INSU SYSTER - Déformation et transport de fluides dans la transition croûte-manteau à l'aplomb d'une subduction: Etude des péridotites et pyroxénites à phlogopite de Finero (Alpes du Sud).

Source(s): 

Hydrous melts weaken the mantle, crystallization of amphibole and phlogopite does not: Insights from a petrostructural study of the Finero peridotites, southern Alps. Tommasi, A., Langone, A., Padron-Navarta, J.A., Zanetti, A., Vauchez, A. Earth and Planetary Sciences Letters, doi: 10.1016/j.epsl.2017.08.015

Contact(s):
  • Andrea Tommasi, Géosciences Montpellier/OREME
    andrea [dot] tommasi [at] umontpellier [dot] fr, 04 67 14 49 12

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