“Role of mantle heterogeneities in MORB genesis: Experimental study of the partial melting of pyroxenites and of the magma/rock interaction at high pressure”

Titre original en français :
Rôle des hétérogénéités mantelliques dans la genèse des MORB : Étude expérimentale de la fusion partielle des pyroxénites et des interaction magma/roche à haute pression

PH.D Thesis - 2010
Département des Sciences de la Terre, Université Blaise Pascal,
Clermont-Ferrand, France
Oral presentation: January 8th 2010
PDF - FR

English version:
Over the last twenty years, the knowlege of MORB petrological and chemical variability has been considerably extended. The sub-oceanic mantle, engaged in the partial melting at the MORB origin, has been revealed as relatively heterogeneous, and containing a significant fraction of pyroxenites that may play an important role in basalt generation. In the same way, the effect of the magma/peridotite interactions has been often underestimated. Usually, the transport of magma into high permeable dunitic channels formed by focused flow is the mechanism proposed beneath mid-ocean ridges, but the chemical transformations of magmas during the process is badly constrained.
In this study, experiments have been conducted in piston-cylinder apparatus between 0.5 and 2.5 GPa in order to characterise melting relationships and the melt compositions of three pyroxenites, and also to quantify the effects of magma/peridotite interactions. The microdike technique was used to separate the liquid from the solid phases and to obtain reliable glass analyses, even at low degrees of melting. The aim was to answer three questions concerning the MORB petrogenesis: What is the role of pyroxenites in the major element composition of MORB? What is the fate of pyroxenite-derived melts into the peridotitic mantle? What transformations are inferred by magma focusing and magma/rock interactions on the melt composition and on the chemical and mineralogical composition of the host peridotite?
This study provides a large database for the melting relationships of pyroxenites and for the pyroxenite-derived melt compositions, especially at low degrees of melting. Partial melting experiments performed on three pyroxenites, representative of worldwide compositional variability, show that at 1 and 1.5 GPa, in many instances and for most major elements, pyroxenite-derived melts are similar to peridotite-derived melts. These melts may undergo minor interactions with the overlying peridotitic mantle. On the contrary, at higher pressure the interactions between pyroxenite-derived melts and the subsolidus peridotitic mantle lead to a substantial consumption of the percolating melt and to a crystallization of clinopyroxenes. This is likely to impede further infiltration and to increase the ultramafic rock diversity in the upper mantle. Hence, the partial melting of pyroxenites may have significant effects on mantle source compositions and on the physicochemical processes of basalt genesis, while the contribution of pyroxenite-derived melts may not lead to major changes of the compositions of primitive basaltic magmas. Less frequently, pyroxenites yield melts with very SiO2-poor and FeO-rich compositions that may explain the major element signature of a class of primitive MORB with FeO > 8.5 % et SiO2 < 48.7 % pds. Experiments on the effects of focused magma transport beneath mid-ocean ridges confirm that magma focusing can explain both the formation of dunite channels beneath mid-ocean ridges and the composition of primitive MORBs, and especially their under-saturation of orthopyroxene.

▲ top

Version originale en français :
Depuis une vingtaine d’années, la connaissance de la variabilité chimique et pétrographique des laves formées en contexte d’accrétion océanique (MORB) s’est considérablement approfondie. Il est ainsi apparu que le manteau supérieur sub-océanique est beaucoup plus hétérogène que ne le laissait penser la relative homogénéité chimique des MORB. Ainsi, le manteau contient une fraction significative de pyroxénites qui pourraient jouer un rôle important dans la production des basaltes. De même, l’importance des interactions entre les magmas en cours d’ascension et leur encaissant péridotitique a longtemps été sous-estimée. Le transport des magmas basaltiques dans des chenaux dunitiques de haute perméabilité formés par la focalisation des magmas en profondeur est le mécanisme généralement proposé sous les rides médio-océaniques, mais l’ampleur des transformations chimiques subies par les magmas au cours ce processus est encore peu connue.
J’ai réalisé des expériences en piston-cylindre entre 0.5 et 2.5 GPa pour caractériser les relations de fusion et les compositions de liquide de trois pyroxénites et pour quantifier les effets des interactions magma/péridotite. La technique d’extraction des liquides par microdike a été utilisée pour obtenir des analyses de verre fiables même à de très faibles degrés de fusion. L’objectif était d’apporter des réponses à trois problèmes importants de la pétrogenèse des MORB : Quel est le rôle des pyroxénites sur la composition en éléments majeurs des MORB ? Quel est le sort des liquides pyroxénitiques durant leur passage à travers le manteau péridotitique ? Quelles sont les transformations induites par la focalisation des magmas et les interactions magma/roche sur la composition chimique des liquides et sur la chimie et la minéralogie de l’encaissant péridotitique ?
Les données acquises au cours de cette thèse constituent une base de données importante sur les relations de fusion des pyroxénites et sur les compositions des liquides issus des pyroxénites, en particulier les compositions aux faibles degrés de fusion. Les expériences de fusion partielle menées sur trois pyroxénites représentatives de la variabilité compositionnelle mondiale montrent que, à 1 et 1.5 GPa, la plupart des liquides issus des pyroxénites présentent des compositions en éléments majeurs très similaires à celles des liquides péridotitiques. Ces liquides sont susceptibles de remonter à la surface en interagissant peu ou pas avec le manteau environnant. A plus haute pression, les interactions entre les liquides issus des pyroxénites et le manteau péridotitique subsolidus aboutissent au contraire à une consommation substantielle des liquides et à une forte cristallisation de clinopyroxènes susceptibles d’isoler les pyroxénites de leur encaissant et de créer de nouvelles hétérogénéités lithologiques dans le manteau supérieur. Par conséquent, la fusion partielle des pyroxénites peut avoir des effets significatifs sur la composition minéralogique et chimique du manteau et sur les dynamiques d’extraction et de transport des magmas. Au contraire, dans la plupart des cas, la contribution de liquides issus des pyroxénites n’entraîne pas de changement majeur dans les compositions des magmas basaltiques primitifs. Plus rarement, les pyroxénites produisent des liquides anormalement pauvres en silice et riches en fer dont on retrouve peut-être la signature dans une classe de MORB primitifs avec FeO > 8.5 % et SiO2 < 48.7 % pds. Enfin, les expériences simulant le processus de focalisation des magmas sous les rides médioocéaniques confirment que la focalisation peut expliquer à la fois la formation de chenaux dunitiques et la composition des MORB primitif, en particulier leur sous-saturation en orthopyroxènes.

“Experimental approach on the role of focused magma transport beneath mid-ocean ridge: implications for MORB genesis”

Titre original en français :
Approche expérimentale du rôle de la focalisation des magmas sous les rides médio-océaniques : Implication pour la genèse des MORB

MS Thesis - 2006
Département des Sciences de la Terre, Université Blaise Pascal,
Clermont-Ferrand, France
Oral presentation: September 2006
PDF - FR

English version:
The transport of basaltic melts beneath oceanic spreading centers occurs predominantly in highporosity dunitic channels, resulting from the complete dissolution of pyroxenes in peridotites mantle. The formation of dunitic assemblages is due to magma focussing that is, to the circulation of important melt volumes in these channels. Many experiments were run in a piston-cylinder apparatus to simulate magma focussing processes beneath oceanic spreading centres, and to study the reaction between peridotites and basalt, as function of pressure and magma:rock ratio. Then, results were compared with pMELTS predictions.
This study proposes a primitive MORBs formation model, implying: 1) partial melting of lherzolitic mantle at depth, 2) magma focussing involving the formation of dunitic channels and liquids evolution toward primitive MORBs composition by interaction with surrounding dunites. 3) Destabilization of high-porosity channels to form dykes is possible at high degrees of melting. Thus, this study confirms the necessity of dunites formation beneath the oceanic ridges and strengthens the hypothesis that high-porosity channels constitute the main mean of magma transport at oceanic spreading centers. Moreover, these experiments show that magma focussing has a strong influence on residue mineralogical composition leading to the formation of dunitic, wherlitic and gabbroic assemblages. At last, results suggest that melt composition has an important role on chemical compositions of residues.

▲ top

Version originale en français :
Le transport des magmas basaltiques sous les rides médio-océaniques se ferait principalement dans des chenaux dunitiques de haute perméabilité résultant de la dissolution complète des pyroxènes dans un encaissant péridotitique. C’est la focalisation de l’écoulement magmatique dans des zones privilégiées du manteau qui aboutirait à la formation de ces chenaux. Une série d’expériences en piston-cylindre a été réalisée afin de simuler le processus de focalisation du magma sous les rides médio-océaniques et d’étudier le rééquilibrage entre péridotite et basalte en fonction de la pression et du rapport magma/roche. Les résultats ont ensuite été comparés aux prévisions du programme pMELTS.
Cette étude nous permet de valider un modèle pour la formation des MORB primitifs aux rides médio-océaniques impliquant : 1) la fusion d’un manteau lherzolitique en profondeur, 2) la focalisation du magma qui entraîne la formation de chenaux dunitiques et une évolution des compositions des liquides vers des compositions de MORB primitifs par interaction avec l’encaissant dunitique. 3) La déstabilisation de ces chenaux de haute perméabilité en filons est envisageable pour de forts facteurs de focalisation. Cette étude confirme donc la nécessité d’invoquer formation de dunites sous les rides médio-océaniques pour expliquer la sous-saturation en opx des MORB à basse pression ; elle renforce l’hypothèse que des chenaux de forte porosité constituent le moyen principal du transport des magmas sous les rides. En outre, ces expériences montrent que la focalisation du magma a une forte influence sur la composition minéralogique du résidu pouvant conduire à la formation d’assemblages dunitiques, wherlitiques et gabbroïques. Enfin, les résultats suggèrent que la composition du liquide joue un rôle important dans la modification des compositions chimiques des résidus.

“Kinetics of growth and dissolution of diopside in silicate bath”

Titre original en français :
Cinétiques de croissance et de dissolution du diopside dans un bain silicaté

MS Thesis - 2005
Département des Sciences de la Terre, Université Blaise Pascal,
Clermont-Ferrand, France
Oral presentation: June 2005
PDF - FR

Version originale en français :
La taille des cristaux dans les roches magmatiques est contrôlée par les cinétiques de croissance, de dissolution et de nucléation.
Le but de ces expériences est de déterminer le comportement du diopside lorsqu’il est soumis à de faibles variations thermiques pour des températures proches de celle du liquidus. Le comportement du diopside dans le système diopside-anorthite-forstérite a été examiné expérimentalement pour des variations thermiques de 10 et de 20°C en réchauffement et en refroidissement.
Les expériences ont été réalisées avec le four à 1 atm. à trempe verticale. Dans un premier temps, des expériences ont été dirigées isothermiquement pour que tous les changements texturaux puissent être attribués au mûrissement d’Ostwald. Les résultats suggèrent que la croissance du diopside est contrôlée par un mécanisme de nucléation bidimensionnelle. Dans un second temps, le système est soumis à une petite variation thermique. Les données montent qu’un refroidissement ou un réchauffement rapide, même faible, implique un fort déséquilibre du système. Ce dernier subit alors des oscillations entre des phases de croissance et nucléation et des phases de dissolution. Ces oscillations voient cependant leur amplitude diminuer et il est probable que pour des longues durées, le système retourne à un état d’équilibre.
Le peu de données ne nous permettent pas de quantifier ces fluctuations. Cependant, les expériences étant maintenues à température constante après l’étape de réchauffement ou de refroidissement, ces résultats laissent penser que dans un environnement naturel, où beaucoup d’autres paramètres entrent en jeux, les hypothèses sur les séquences de cristallisation des roches pourraient être sujet à caution.

▲ top