L`exploration de la croûte océanique

Montpellier
L’exploration de la croûte océanique
Benoît ILDEFONSE
Valbonne
[email protected]
Avril 2014
Project Mohole, 1957-1966
American Miscellaneous Society
www.nationalacademies.org/mohole.html
Project Mohole, Forage Test, 1961
Au large de l’île
Guadalupe
(Baja California, Mexico)
Mars-Avril 1961
Positionnement dynamique
3500 m d’eau, 5 puits, Max 183 m
sédiments & 13.5 m de basalte
DSDP/ODP, 1968-2003
Glomar Challenger
206 campagnes, 1293 sites, 2889 puits
~320 km de carottes
www.odplegacy.org
Joides Resolution
2013-2023
International Ocean Discovery Program
www.iodp.org
JJOIDES
OIDES R
Resolution
esollutiion
non-riser vessel, USA
Chikyu
riser vessel, Japan
Mission-Specific Platforms (MSP)
ECORD
USA
Japan
ECORD
China
Korea
ANZIC
India
Brazil
comment ça marche ?
comment ça marche ?
“Core on deck”
les puits dans la croûte océanique depuis 1974 (>100m)
!" #
0,&" 1
""&'(")"
(")"*%+" ,
$%
"!!,
$ -,
.,',)/
'23,&
+,"&',1
+,"&',)1
Ildefonse et al., IODP book (Dev. Mar. geol.), subm.
les puits dans la croûte océanique depuis 1974 (>100m)
"!#&$% "!#$#
Ildefonse et al., IODP book (Elsevier, Dev. Mar. geol. Series), subm.
les puits dans la croûte océanique depuis 1974 (>100m)
"!#&$% "!#$#
Ildefonse et al., IODP book (Elsevier, Dev. Mar. geol. Series), subm.
croûte océanique : une architecture variable
East Pacific Rise (~15 cm/an)
240
250
-5500
-5000
Mid-Atlantic Ridge (~2 cm/an)
0
0
-10
-10
-20
-20
260
-4500
-4000
-3500
-3000
340
-2500
-2000
(meters below sea level)
350
-1500
-1000
-500
0
croûte océanique : une architecture variable
East Pacific Rise (~15 cm/an)
Mid-Atlantic Ridge (~2 cm/an)
0
0
-10
-10
-20
-20
water colours: Christine Laverne
240
250
-5500
-5000
260
-4500
-4000
-3500
-3000
340
-2500
-2000
(meters below sea level)
350
-1500
-1000
-500
0
Failles de détachement aux dorsales lentes
Corrugations and lineations
Fault trace
Breakaway
Oceanic
core complex
Rift valley
Volcanic ridge
Fault scarps
Oceanic
detachment fault
Vents
Lavas and dykes
Gabbroic intrusions
Hydrothermal
discharge
Mantle lithosphere
(peridotite ± serpentinite)
Plastic deformation
1 km
Melt
supply
Plate
separation
Earthquakes
Escartin & Canales, EOS, 2010
Smith et al., EPSL, 2008
• Faille normales à faible pendage, ~50% de l’accrétion le long de la dorsale Atlantique Nord (Escartin et al., 2008)
• Exhumation épisodique de manteau et de croûte inférieure magmatique
• Zones pauvres en basaltes (roches volcaniques)
Oceanic Core Complexes
MacLeod et al., EPSL, 2009
Tucholke et al., Geology, 2008
... sont présents à toutes les dorsales lentes et ultra-lentes
Tucholke & Lin, 1994
Cann et al., 1997
Tucholke et al., 1998, 2001
Escartin et al., 2003
Searle et al., 2003
Cannat et al., 2006
Ildefonse et al., 2007
Smith et al., 2006, 2008
Dick et al., 2008
Tucholke et al., 2008
Canales et al., 2008
MacLeod et al., 2009
Hayman et al., 2011
...
IODP Hole U1309D : Massif Atlantis
Novembre 04 / Mars 05
Exp. 304-305
10 km
N
Blackman et al., Mar. Geoph. Res., 2002
Mesures à bord
. .& .,'
;/<2,=<*1&8<2(='
8=B>>0>.(?,=(.,
=(*90<><-*<=,+0>9,=?(2
(9(*2(:0:(>+
?,0>0>.
0>9,>:09@8(?,
$<9(2(29,=(90<>
80>9,=?(2:
B21+,>:09@
.**
%F
8:
0./:9()0209@
8(.>,90D(90<>
0>*20>(90<>&G'
,F9/8):-
"2(:90*(>+
8(.8(90*-<20(90<>
0>9,>:09@8(?,
(:(290()(:,
(:(290()(:,
!C0+,.())=<
!C0+,.())=<
())=<.())=<><=09,
$=<*9<2090*.())=<
<20?0>,.())=<
())=<.())=<><=09,
<20?0>,),(=0>..())=<
!20?0>,.())=<
9=<*9<2090*.())=<
(.8(90*
"2(:90*
%,0>0>.
(9(*2(:0:
0:*=,9,:(8F2,:
<..0>.=B>:
<..0>.=B>:
8=B>>0>.(?,=(.,
0:*=,9,:(8F2,:
<..0>.
8
=B>>0>.
(?,=(.,
$
#0>.2,8,(:B=,8,>9
B290F2,8,(:B=,8,>9:
0:*=,9,:(8F2,:
,<*,>9=0*(C0(2+0F<2,
$=<*9<209,
$=<*9<209,
!20?0>,=0*/9=<*9<209,
!20?0>,=0*/9=<*9<209,
+B>09,/(=D)B=.09,
(B29D<>,:0>-,==,+-=<8*(9(*2(:90*+,-<=8(90<><--(B29.<B.,0>*<=,
www.iodp.org/scientific-publications Hole U1309D : 575 thin sections, 2429 microphotos, 1216 closeup photos, 514 PhysProp samples, 220 ICP samples
Une section gabbroïque composite
Hole U1309D
Basalt/Diabase
Oxide Gabbro
200
Gabbro,
Gabbronorite
Olivine Gabbro,
Troctolitic Gabbro
Troctolite
400
Dunitic Troctolite, Wehrlite,
Dunite, harzburgite
1000
• Multiples unités intrusives;
construction progressive sur
100-200 ka
Grimes et al., G3, 2008
• Composition globale
proche des magmas primitifs
1200
Godard et al., EPSL, 2009
• Les magmas restent piégés
dans la lithosphère
1400
0
50%
100%
20 m running average
depth (mbsf)
800
Godard et al., EPSL, 2009
600
Troctolites
Layered gabbroic series
Layered oceanic crust Plutonic Section
Shallow
Gabbros
Upper Crust
(Dykes & Lavas)
Composition moyenne de la croûte rapide :
Gillis et al., Nature, 2014
Troctolites riches en olivine
Hole U1309D
Basalt/Diabase
Oxide Gabbro
Gabbro,
Gabbronorite
200
Olivine Gabbro,
Troctolitic Gabbro
Troctolite
400
!
Drouin et al., Chem. Geol., 2009
G3, 2010
1200
depth (mbsf)
1000
Dunitic Troctolite, Wehrlite,
Dunite, harzburgite
600
800
1400
0
50%
100%
20 m running average
• ne sont pas de simples cumulats
• imprégnation magmatique
• origine mantellique probable
Rotation tectonique
Corrugations and lineations
Fault trace
Breakaway
Oceanic
core complex
Rift valley
Volcanic ridge
Fault scarps
Oceanic
detachment fault
Vents
Lavas and dykes
Gabbroic intrusions
Hydrothermal
discharge
Mantle lithosphere
(peridotite ± serpentinite)
Plastic deformation
1 km
Melt
supply
Plate
separation
Earthquakes
Escartin & Canales, EOS, 2010
Rotation tectonique
Corrugations and lineations
Fault trace
Breakaway
Oceanic
core complex
Rift valley
Volcanic ridge
Fault scarps
Oceanic
detachment fault
Vents
Lavas and dykes
Gabbroic intrusions
Hydrothermal
discharge
Mantle lithosphere
(peridotite ± serpentinite)
Plastic deformation
1 km
Melt
supply
Plate
separation
Earthquakes
Escartin & Canales, EOS, 2010
Morris et al., EPSL, 2009
Rotation tectonique
Corrugations and lineations
Fault trace
Breakaway
Oceanic
core complex
Rift valley
Volcanic ridge
Fault scarps
Oceanic
detachment fault
Vents
Lavas and dykes
Gabbroic intrusions
Hydrothermal
discharge
Mantle lithosphere
(peridotite ± serpentinite)
Plastic deformation
Melt
supply
Plate
1 km
separation
Earthquakes
Escartin & Canales, EOS, 2010
Morris et al., EPSL, 2009
rotation de ~45 ° autour d’un axe parallèle à la dorsale
Croûte rapide
Age grid by Müller et al., G3, 2008
• Majorité de la croûte recyclée dans le
manteau au cours des derniers 200 Ma
• ~20% des dorsales actuelles
~50% de la croûte océanique
• Relativement continue et uniforme
• Modèles d’accrétion simples à tester
• 2 stratégies possibles ...
Fig: C. Laverne (after Y. Lagabrielle)
Lavas
Dikes
Upper
gabbro
?
Lower
gabbro
?
Moho
?
?
After Korenaga & Kelemen, EPSL, 1998
Hess Deep, Expedition 345, 2012-2013
H
#
H
H
HI
+.,'0,)'0
'(,'.4/0!".'+%+.,'0,)'0
"!!.,
"!!.,+,.'0
0&./
-4830
I
-48
40
P
-4850
65
+'0+.,'0,)'0$.'/
,./
6
5
'(,'.4/0"!!.,
)'2'+"!!.,
6
5
-3!".'+%)'2'+"!!.,
J
+'0"4."!!.,$.'/
,.
,./
+'0"4."!!.,$.'/
,.
+'01!!)
+'01!!)
+'0
-0&*!/$
+'0
1!!)
HI
,'(04-/ '-,$*"%*"0''
,'(04-/ '-,$*"%*"0'' "%+0''.*"++'
,'(04-/ '-,$*"%*"0'' "%+0''.*"++'
,./+'0/
,./+'0/
',2.4
',2.4
$,)'"0',+/5
'+')'+"0',+5
',2.4
$,)'"0',+/5
'+')'+"0',+5
$,)'"0',+/5
HI
6
5
,./
+'0+.,'0,)'0$.'/
,./+'0/
HI
Gillis et al., Nature, 2014
Hess Deep, Expedition 345, 2012-2013
H
#
H
H
HI
+.,'0,)'0
'(,'.4/0!".'+%+.,'0,)'0
"!!.,
6
5
"!!.,+,.'0
0&./
-4830
I
-48
40
P
-4850
65
+'0+.,'0,)'0$.'/
,./
'(,'.4/0"!!.,
)'2'+"!!.,
6
5
-3!".'+%)'2'+"!!.,
J
+'0"4."!!.,$.'/
,.
,./
+'0"4."!!.,$.'/
,.
+'01!!)
+'01!!)
+'0
-0&*!/$
+'0
1!!)
HI
,'(04-/ '-,$*"%*"0''
,'(04-/ '-,$*"%*"0'' "%+0''.*"++'
,'(04-/ '-,$*"%*"0'' "%+0''.*"++'
,./+'0/
,./+'0/
',2.4
',2.4
$,)'"0',+/5
'+')'+"0',+5
',2.4
$,)'"0',+/5
'+')'+"0',+5
$,)'"0',+/5
HI
6
5
,./
+'0+.,'0,)'0$.'/
,./+'0/
HI
1er gabbros lités primitifs dans
la croûte océanique inférieure
Gillis et al., Nature, 2014
Puits 504B, le plus profond dans la croûte
Puits 504B, 2111mbsf
8 Legs, 1979-93
récupération moyenne 20%
Layered Crust
Vp (km/s)
0
Crust
2
4
4
6
8
Layer 2
Layer 3
6
8
2
Moho
Mantle
Depth Below Seafloor (km)
0
10
• Laves basaltiques & complexe filonien
• histoire polyphasée de fracturation et de circulations
•
Alt et al., ODP Proc. 148, 1996
fluides (T et composition variables)
Fractures et altération contrôlent au premier ordre la
signature géophysique de la croûte supérieure Carlson, G3, 2011
le forage profond est difficile ...
Hole 1256D
Kent et al., JGR, 1994
Wilson, GRL, 1996
After Purdy et al., Nature, 1992 & Carbotte et al., Geology, 1997
Hole 1256D
2003-2005, 1522 mbsf
croûte de 15 Ma sur la plaque Cocos
• Conçu pour être un puits profond
• A atteint pour la première fois la transition •
•
complexe filonien / gabbro (~1400 m)
Alteration de basse T similaire à 504B
Complexe filonien peu épais (~350 m)
Wilson et al., Science, 2006
Structure thermique du système hydrothermal
Low T
seawater fluids
Mixing zone
sulfide mineralization
Hydrothermal fluids
Alt et al., G3 2010
variable salinity
18O-enriched
metal-bearing
Gradient thermique en marche d’escalier,
caractéristique des taux d’ouverture intermédiaires (504B) et rapides
Retour dans le puits1256D 5.5 ans plus tard, Exp. 335, 2011
6 semaines
~350 m dans les gabbros
de la croûte inférieure
•
•
•
•
Processus d’accrétion magmatique ?
Extraction de la chaleur de la croûte inférieure?
Signification géologique de la transition 2/3 au site 1256 ?
Contribution des gabbros à la signature magnétique de la croûte ?
Toujours difficile ...
0
50
Days
100
150
0
200
Leg 206
2002
750 m
Exp 309
2005
1255 m
Exp 312
2005
1507 m
Exp 335
2011
1522 m
Depth (mbsf)
400
600
lavas
800
1000
1200
sheeted
dike
complex
1400
plutonic section
1600
Casing
Coring
Downhole measurements and sampling
Hardware failure and hole remediation/stabilization
Teagle et al., Proc. X335, 2012
En résumé ...
1
Open hole to full depth and stabilize
920-960 mbsf interval - 15 days
2
Core (4 cores); destruction of
C9 coring bit - 2 days
3
4
F
Fish/mill junk, ream/clean hole - 19 days
Logging; core (1 core); cement to stabilize
critical intervals - 3.5 days
• ~15 m de pénétration
• 24 ré-entrées
(~240 km de déplacement de tige de forage)
• zone 910-940 mbsf stabilisée
(15 ré-entrées après cimentage sans problème)
• Puits propre, sans “cuttings”, stabilisé
(pas de débris métalliques au fond) • Cône de ré-entrée propre et ouvert
• Echantillons de grande taille
Trépan détruit
Teagle et al., Proc. X335, 2012
Bagarre avec les “granoblastic dikes”
~ 1mm
basalte recristallisé
en faciès granulite
~800-900 °C
Nettoyage du puits
repêchage
alésage
nettoyage
...
Teagle et al., Proc. X335, 2012
Gros échantillons de basaltes granoblastiques
#!+!%(&
(&
(&%&(!*
,!(&
!&(!*&%#!*
(%&#)*!!"
La couche limite thermique dans la croûte océanique ...
(&
,'
!"(%
(&
!"(%
,'
'* $) !&(!*&%#!*
*!"
$)
)#*%#+)
!")
,!(&
(&%&(!*
(&
#!+!%(&
Teagle et al., Proc. X335, 2012
dorsale Est-Pacifique
... où le magma rencontre l’eau
ophiolite d’Oman
3D coverage
3.8
2
3
5
4
7
8
9
4.0
1991/92 eruption
4.2
5 km
2005/06 eruption
9.0
MgO (wt%)
6
Data gap
TWTT (s)
1
Profile join
Pre 1991
Collected 1991¬2005
1991¬1992 Inferred
1991¬1992 flow Error MgO = 8
2005¬2006 flow
8.5
8.0
7.5
Volume
( =104 m3)
7.0
150
50
0
9$ 36v 9$ 38v 9$ 40 v 9$ 42 v 9$ 44 v 9$ 46 v 9$ 48 v 9$ 50 v 9$ 52v 9$ 54 v 9$ 56v 9$ 58v 10$ 00 v 10$ 02 v 10$ 04 v 10$ 06 v
Latitude (N)
Carbotte et al., Nature Geosc., 2013
1256D
France et al., G3
2009, 2013
Alt et al., G3, 2010
See also :
Nicolas & Boudier, 1991
Gillis & Roberts, 1999
Coogan et al., 2003
Gillis, 2008
Koepke et al., 2008, 2011
France et al., 2009
Baker, 2009
Marks et al., 2011
…
On veut plus !!!
MoHole to the Mantle
(M2M)
mohole.org
Pourquoi ?
" #
"$
"$ %#&
axial high-T fluids
basement
topography
faults
),--"%
'"*,"%
,''.#"(+
-(*.(.*
impermeable
sediments
?
? A
B
C
?
Sediments
Dikes
Coring?
'$'("
Coring?
1500
23"-,(1 *'
%"'"(-,/%"/ "#(1 , #"%"(1,-)1 * )) # (*(",#
"*.%(",#,/
1+*,(1 *'% ?
/%."-
?
Sub-vertically
Foliated
Gabbros
Coring
3000
Drilling
Cuttings
LWD
3500
4000
Sub-Moho
Parallel
Layered
Gabbros
global average
hydrothermal heat flow
chemical exchange
?
microbe abundance
?
5500
Ultra-mafic
cumulates?
Upper
Mantle
67 co-proposants
Japon, Europe et US
1
"'"(,/%"/ ?
?
?
),*,-"(+
) *' "%"(+
Moho
6000
?
%( *(",#"#( #-"(+
0
?
fluid flow
4500
5000
,#.( /*,'%,0 **.-(#%"(1,-)1 *
2500
• Manteau terrestre ?
• Moho ?
• Formation et
refroidissement
de la croûte ?
• Limite de la vie ?
10
65
#
150
M2M Proposal, 2012
non-habitable
azoic zone?
Depth (meters below seafloor)
2000
Upper
Vari-textured
Gabbro
aerobic bacteria
?
1000
?
Lava
anaerobic archaea
?
500
?
?
true SLiME
0
Comment ?
• Principaux problèmes :
•
Développement technologique
• Instruments de mesures en puits
• Riser plus long
• ...
CHIKYU
- stabilité du puits
- température
Solution : Riser, ...
Où ?
• Trop proche de la dorsale :
trop chaud
• Trop loin de la dorsale :
trop profond
C
B
A
CHIKYU
-6000 -4500 -4300 -4100 -3900 -3700 -3500 -3000 -2000 -1000
0
Contraintes technologiques : <~250°C dans le manteau & <4000-4500 m d’eau
M2M a été identifié comme l’un des ‘flagship projects’
pour le Chikyu à la réunion “Chikyu+10” en 2013
www.jamstec.go.jp/chikyu+10
M2M a été identifié comme l’un des ‘flagship projects’
pour le Chikyu à la réunion “Chikyu+10” en 2013
www.jamstec.go.jp/chikyu+10
Harry Hess @ a NAS meeting in 1958 :
“Perhaps it is true that we won’t find
out as much about the Earth’s interior
from one hole as we hope. To those
who raise that objection I say : if there
is not a first hole, there cannot be a
second, or a tenth, or a hundredth hole.
We must make a beginning.”
Photo : Fritz Goro