Exercice 2 : Magmatisme des zones de subduction

Problème guidé : Le magmatisme des zones de subduction

Énoncé

Le magmatisme des zones de subduction est responsable de la mise en place d’une activité volcanique explosive préférentiellement calco-alcaline, formant les arcs insulaires ou les marges actives. Contrairement au magmatisme de dorsale (rift) qui résulte d’une fusion partielle par décompression adiabatique d’une péridotite asthénosphérique sèche, le magmatisme de subduction met en jeu un manteau supra-subduction hydraté.

L’objectif de ce problème est d’analyser, à partir de données thermodynamiques, pétrologiques et cinématiques, les mécanismes physico-chimiques à l’origine de la fusion partielle du manteau dans ces zones, d’évaluer les flux de matière et de discuter de la genèse des magmas primaires et de leur évolution par différenciation.

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Questions

Partie I : Origine de la fusion partielle et rôle des fluides

1. Rappeler schématiquement la nature et l’origine des flux de fluides libérés par la plaque plongeante lors de son enfouissement (métamorphisme de subduction). Préciser la profondeur et l’intervalle de température associés à la déshydratation majeure de la croûte océanique subductée.
2. Définir le solidus d’une péridotite “sèche” par opposition au solidus d’une péridotite “hydratée”. Expliquer par quel mécanisme thermodynamique l’introduction de fluides (essentiellement $\text{H}_2\text{O}$ et $\text{CO}_2$) abaisse la température du solidus d’une roche mantellique.
3. Sur un diagramme pression-température ($P-T$), schématiser le domaine de stabilité du manteau lithosphérique et asthénosphérique sous un arc insulaire, en y reportant :
   • Le géotherme d’une zone de subduction (froid).
   • Le solidus de la péridotite hydratée et de la péridotite sèche.
   • Le domaine de fusion partielle induite.
4. Analyse critique : Un modèle géodynamique simple suggère que la quantité de magma produite est directement proportionnelle au volume de fluides libérés. Discuter des limites de ce modèle en intégrant la notion de cinétique de réaction, de perméabilité du manteau supra-subduction et de transport des fluides (migration par percolation versus canaux de drainage).

Partie II : Géochimie et nature des magmas primaires

5. Les laves des zones de subduction présentent des spectres de terres rares (REE) et d’éléments en trace normalisés aux chondrites ou au manteau primitif caractérisés par un enrichissement en éléments hygromagmatophiles dits “mobiles” (LILE : $\text{Ba}, \text{Sr}, \text{K}, \text{Rb}$) et un déficit prononcé en éléments “immobiles” dits à fort potentiel ionique (HFSE : $\text{Nb}, \text{Ta}, \text{Ti}$).
   • Expliquer l’origine géochimique de cette signature “anormale” par rapport au manteau asthénosphérique normal (N-MORB).
6. Le magma basaltique primaire ainsi généré subit des processus de différenciation au cours de sa migraton vers la surface. Citer les principaux processus pétrogénétiques impliqués et indiquer leur impact sur la composition chimique globale (notamment la teneur en silice $\text{SiO}_2$).

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Pistes de réflexion

• Partie I : Penser aux réactions de déshydratation successives des minéraux hydratés (z-schistes bleus vers éclogites : serpentines, chlorites, amphiboles, micas). Pour l’abaissement du solidus, mobiliser les lois de la thermodynamique chimique (potentiel chimique de l’eau dissoute dans le bain silicaté).
• Partie II : Dissocier la mobilité des éléments lors du métasomatisme par les fluides supercritiques ou aqueux issus de la dalle (agents lessivants) de la rétention des HFSE dans les phases résiduelles solides (ex: rutile).

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Corrigé pas à pas

Partie I : Origine de la fusion partielle et rôle des fluides

1. Nature et origine des fluides : La croûte océanique subductée, altérée hydrothermalement lors de son expansion au niveau de la dorsale, est gorgée de minéraux hydratés (argiles, serpentines, chlorites, amphiboles, micas blancs). En plongeant, la pression et la température augmentent (métamorphisme de subduction).

   • À faible profondeur (schistes verts / schistes bleus), ces minéraux se déstabilisent.
   • La transition majeure de déshydratation se produit lors du passage des schistes bleus aux éclogites (vers $100-150\text{ km}$ de profondeur, pour des températures de 500\text{ à }700\text{ }\text{^\circ C}). La réaction type implique la déstabilisation de l’antigorite ou du glaucophane, libérant de grandes quantités d’eau libre sous forme de fluides aqueux hyper-salins riches en éléments dissous.

2. Effet du fluide sur le solidus :

   • Solidus sec : Température minimale à laquelle une roche anhydre commence à fondre pour une pression donnée.
   • Solidus hydraté : Température de début de fusion en présence d’eau excédentaire.
   • Mécanisme thermodynamique : L’eau dissoute dans le magma naissant agit comme un agent abaissant la viscosité et rompant les liaisons $\text{Si-O-Si}$ du réseau silicate (polymérisation réduite). D’un point de vue thermodynamique, l’eau se dissout préférentiellement dans la phase liquide (le magma) par rapport au résidu solide mantellique. Le potentiel chimique de l’eau est ainsi fortement abaissé dans le liquide, ce qui déplace l’équilibre thermodynamique de fusion vers des températures plus basses (de l’ordre de 200\text{ à }300\text{ }\text{^\circ C} de diminution pour une pression de $2-3\text{ GPa}$).

3. Schéma $P-T$ (Description textuelle du graphique attendu) :

   • Axe des ordonnées : Profondeur (ou Pression en $\text{GPa}$, de $0$ à $5\text{ GPa}$) croissante vers le bas.
   • Axe des abscisses : Température (\text{en }\text{^\circ C}, de $0$ à 1400\text{ }\text{^\circ C}).
   • Géotherme de subduction : Courbe très froide au départ, s’incurvant vers la droite à forte profondeur (faible gradient thermique).
   • Solidus de la péridotite sèche : Situé à des températures élevées (>1100\text{ }\text{^\circ C} à $3\text{ GPa}$). Le géotherme ne le croise jamais (pas de fusion sans eau).
   • Solidus de la péridotite hydratée : Décalé vers les basses températures (~800-900\text{ }\text{^\circ C} à $3\text{ GPa}$).
   • Intersection : Le géotherme de subduction coupe le solidus de la péridotite hydratée entre $80$ et $120\text{ km}$ de profondeur, créant une zone d’intersection où la fusion partielle est possible.

4. Analyse critique et limites du modèle :

   • Cinétique et perméabilité : Le modèle suppose un équilibre instantané entre le fluide et la roche (métasomatisme). En réalité, la cinétique des réactions de fusion et la vitesse de percolation des fluides limitent la productivité magmatique.
   • Canaux de drainage : Les fluides ne diffusent pas de manière homogène (“porous flow”) ; ils tendent à s’infiltrer dans des zones de cisaillement ou des dykes de fracturation hydraulique, entraînant des “poches” de fusion localisées et non un fusionnement continu du coin du manteau.
   • Flux thermique : La subduction d’une plaque jeune (chaude) ou vieille (froide) modifie drastiquement le géotherme, ce qui montre que la simple présence d’eau ne suffit pas si la température locale reste inférieure au solidus hydraté.

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Partie II : Géochimie et nature des magmas primaires

5. Signature géochimique (Anomalie en LILE et HFSE) :

   • Les éléments LILE ($\text{Ba}, \text{Sr}, \text{K}, \text{Rb}$, etc.) sont de grands ions lithophiles. Ils sont très solubles dans les phases aqueuses fluides. Lors de la déshydratation de la plaque, ils sont extraits de la croûte subductée et transportés par les fluides pour métasomatiser le coin du manteau sus-jacent. D’où l’enrichissement caractéristique des magmas d’arc en LILE.
   • Les éléments HFSE ($\text{Nb}, \text{Ta}, \text{Ti}$) sont des éléments à fort potentiel ionique, insolubles dans les fluides aqueux. De plus, ils sont fortement compatibles dans les minéraux résiduels réfractaires de la dalle subductée ou du manteau (notamment le rutile, $\text{TiO}_2$). Ils restent donc piégés dans la plaque plongeante, ce qui génère un déficit (anomalie négative) en $\text{Nb}$ et $\text{Ta}$ sur les spectres multi-éléments des laves de subduction par rapport aux basaltes de dorsale (MORB).

6. Processus de différenciation et évolution magmatique :

   • Cristallisation fractionnée (CF) : Refroidissement du magma basaltique primaire dans des réservoirs crustaux (chambres magmatiques). Précipitation séquentielle de minéraux anhydres ou hydratés (olivine, pyroxènes, plagioclases, puis amphiboles et magnétite). L’élimination de phases pauvres en silice (comme l’olivine) enrichit progressivement le liquide résiduel en silice ($\text{SiO}_2$), menant à des séries andésitiques puis rhyolitiques.
   • Assimilation - Cristallisation Fractionnée (AFC) : Interaction entre le magma mafique ascendant et la croûte continentale (ou d’arc) traversée. Fusion partielle de la roche encaissante et contamination isotopique et chimique.
   • Mélange de magmas (Magma mixing) : Injection de magmas basiques chauds dans des réservoirs acides plus felsiques, générant des magmas intermédiaires (hybrides).