Ecole Doctorale Energie Matériaux Sciences de la Terre et de l

ED EMTSU
Ecole Doctorale
Energie Matériaux Sciences de la Terre et de l’Univers
Formulaire de Demande de
bourse ou allocation 2013
Informations administratives :
Nom du Directeur de thèse : Scaillet Bruno
Nom du co-Directeur : /
Le cas échéant nom et date de recrutement d’un co-encadrant : Prouteau Gaelle
Unité : UMR7327, ISTO (Université d’Orléans, CNRS, BRGM)
Equipe : Magmas
Email du Directeur de thèse :[e-mail]
Titre de la thèse : Fusion expérimentale des sédiments océaniques en contexte de subduction : rôle
des volatils (H2O, CO2, S, halogènes) et implication pour les mécanismes de production de la croûte
continentale.
Résumé : (1 page maximum, en times 11 en langage « vulgarisé »)
Le recyclage massif de matériaux crustaux riches en éléments volatils dans le manteau
profond est une conséquence inévitable de la tectonique des plaques, processus majeur caractérisant
notre planète depuis l’Archéen. Le matériel ainsi enfoui au niveau des zones de subduction peut
représenter une part importante du manteau et doit influencer fortement la composition chimique et les
mécanismes de genèse des magmas mantelliques dans les sites de production archéens ou modernes
(zone de subduction, rifts, points chauds …). Ce recyclage contrôle donc la composition des
enveloppes les plus externes de la Terre comme la croûte continentale, dont la composition évolue
depuis l’archéen. Elle influence aussi la composition de l’atmosphère, via les volatils libérés par le
dégazage volcanique.
La problématique de cette thèse est centrée sur le recyclage des sédiments subduits au niveau
des zones de subduction modernes et archéennes. Les données géochimiques acquises depuis une
vingtaine d’année indiquent de façon univoque que les sédiments subduits participent à la genèse des
magmas d’arc (e.g. Tera et al., 1986). Plus précisément, ces données géochimiques (bilans du
beryllium et du thorium notamment) suggèrent fortement que les sédiments enfouis dans le manteau
fondent ; les liquides anatectiques ainsi produits impartissent leur signature géochimique unique au
manteau situé à l’aplomb des arcs volcaniques, manteau dont la fusion subséquente produira la croûte
continentale. Aussi, les études numériques les plus récentes (e.g., Cagnioncle et al., 2007) montrent
que la température atteinte à l’interface lithosphère subduite/manteau dans les zones de subduction
modernes est suffisamment élevée pour induire la fusion hydratée de la portion la plus superficielle de
cette lithosphère (sédiments plus croûte).
Cependant le mécanisme de ce recyclage est aujourd’hui encore très discuté : quelles sont les
phases impliquées, dans quelles réactions et sous quelles conditions ? Un autre point essentiel et
fortement controversé concerne le rôle et le devenir des éléments volatils présents en abondance dans
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ces lithologies : eau, mais aussi halogènes (chlore, brome) et soufre. Ainsi, la signature très enrichie en
34S des magmas des zones de subduction est attribuée à l’incorporation d’un composant sédimentaire,
ce réservoir étant en moyenne significativement enrichi en 34S (de Hoog et al. 2001).
Une étude préliminaire effectuée dans notre laboratoire a montré que la solubilité du soufre dans les
liquides anatectiques produits par la fusion à haute pression des sédiments peut atteindre des valeurs
de l’ordre du pour-cent (Prouteau & Scaillet, in press). Ces liquides constituent donc un vecteur
potentiel efficace des éléments volatils et sont un élément clef du cycle géochimique du soufre
(sédiment-manteaumagma-atmosphère). De plus, les liquides silicatés ainsi produits ont des
compositions très particulières, ils sont notamment très enrichis en potassium. La métasomatose du
manteau sub-arc par de tels liquides pourrait expliquer le caractère potassique de la croûte continentale
moderne, par rapport à la croûte archéenne, plus sodique.
L’objectif de ce projet est donc de contraindre le rôle du soufre, dans un premier temps, et de
fluides plus complexes (halogènes + soufre), dans un deuxième temps sur les relations de phases des
sédiments subduits et sur la composition des liquides anatectiques issus de la fusion de ces
métasédiments.
Le plan de recherche implique les approches suivantes :
1 – Fusion à haute pression en presse piston-cylindre d’un sédiment hydraté et variablement enrichi en
volatils (S, Cl, Br).
2- Analyse des produits expérimentaux (majeurs et volatils) à la microsonde électronique
3- Détermination des lois de solubilités des espèces volatiles à haute pression
4 - Analyse des teneurs en éléments en traces des phases expérimentales par ICP-MS à ablation laser
(service commun IRAMAT-CEMHTI-ISTO). Cette phase devra faire l’objet d’un développement
méthodologique.
Cette étude nous permettra donc de contraindre l’effet du soufre sur la fusion des
métasédiments dans les zones de subduction (solidus, stabilité des phases, composition des liquides
produits). L’étude analytique des produits expérimentaux permettra d’évaluer le rôle du soufre sur
certaines spécificités géochimiques des magmas d’arc toujours mal comprises aujourd’hui.
Plus globalement, des résultats majeurs sont attendus sur le cycle profond des éléments
volatils, notamment le soufre, et le rôle de ces volatils sur l’évolution de la composition de la croûte
continentale au cours des temps géologiques. Ce projet est soutenu par un financement INSU 2012-
SYSTER