Hydrogen behaviour during mantle processes
Comportement de l'hydrogène lors des processus mantelliques
Résumé
This thesis provides new constrains on H concentrations and H behaviour in the lithospheric
mantle and is based on a petro-geochemical study on three spinel-peridotite xenoliths series with
major and traces elements analyses, including H in nominally anhydrous minerals (NAMs, olivine
and pyroxenes) as well as hydrous minerals (amphibole).
Ascent effects through a magmatic system on H concentration of NAMs are studied for a
xenoliths series from the Eifel volcanic field (Germany). Intracrystalline variations in H
concentration are observed in olivine but not in the coexisting pyroxenes. Such H concentration
profiles are used to calculate the rate of magma ascent. For the studied volcanoes, the calculated
rate of magma ascent is between 3.5 and 12 m.s-1. Such H concentration variations imply a
devolatilisation affecting only olivine, whereas the pyroxenes are homogeneous and then can be
used as a reliable proxy for mantle H concentrations.
Ray Pic xenoliths (French Massif Central) belong to a mantle plume setting, implying the
possibility to assess the effect of partial melting and large-scale metasomatism on H concentration
of NAMs. The H concentrations determined do not suggest a strong link with the suffered
metasomatism whether modal (occurrence of OH-bearing amphibole has no significant effect of
H concentration of NAMs), nor cryptic (metasomatism by volatile rich melt/fluid has limited
effect on the water content of NAMs). However, using H concentrations and a marker of the
partial melting (Yb in cpx), H seems to behave as a MREE (e.g., Sm, D(cpx/melt) ~ 0.29).
The interaction between a harzburgite and the host basalts has been studied in detail that,
for olivines, chemical variations in major element as a function of olivine proximity to the vein, is
coupled to H concentration of NAMs. More the olivines is close to equilibrium with the basalt,
more H concentrations are low. However, for the pyroxenes such correlation is not observed.
Finally, three composite xenoliths (veins cross cutting a peridotite) have been studied to
investigate at the mm- to cm-scale the effect of wall-rock metasomatism on the water content of
NAMs to in the influence of small-scale metasomatism (pluri-centimetric). Each sample display
homogeneous H concentration within each NAMs. However, H concentration is inversely
correlated to modal content in amphiboles in the veins. Furthermore, H in NAMs correlate with
Sm(cpx), which is a marker of metasomatism suggests again, that H behaves as a MREE.
To conclude, H concentrations in olivines are sensitive to degassing during magma ascent
toward the surface and reequilibriate with magma. To the contrary, H concentration in pyroxenes,
especially opx, are very homogeneous. Thus pyroxenes are more reliable indicator to assess water
content of the mantle. The occurrence of amphibole does not imply that NAMs are enriched in
water relative to amphibole free mineralogy. The behaviour of H during partial melting and
metasomatism is complex. However, our data suggest that H broadly follows MREE.
Ces travaux de thèse apportent de nouvelles contraintes sur la concentration et le
comportement de l’H dans le manteau lithosphérique. Ils reposent sur l’étude pétro-géochimique
de trois séries de xénolites de péridotites à spinelle, associant les concentrations en élément
majeurs et en traces y compris l’H dans les minéraux dits anhydres (les NAMs, ici, olivine,
pyroxènes) et hydratés (amphibole).
Les effets de la remontée des xénolites dans du magma hôte sur les concentrations en H des
NAMs ont été étudiés sur une série de xénolites de péridotite du champ volcanique d’Eifel
(Allemagne). Une variation intracristalline de concentration en H a été identifiée dans l’olivine et
non dans les pyroxènes coexistant. Ces profils de concentration en H peuvent être utilisés pour
estimer des vitesses de remontées des magmas. Dans le cas des volcans étudiés, ces vitesses sont
estimées entre 3.5 et 12 m.s-1. Ces résultats suggèrent que les pyroxènes sont de meilleurs proxy
que l’olivine pour quantifier la concentration mantellique de l’H.
Les xénolites de Ray Pic (Massif Central, France) ont permis de discuter de l’effet de la
fusion partielle et du métasomatisme à grande échelle sur les concentrations en H des NAMs. Les
concentrations en H des minéraux ne suggèrent pas de lien clair avec le métasomatisme subit,
qu’il soit modal (amphibole) ou cryptique (métasomatisme par de faibles fractions de liquides
enrichis en volatils et éléments incompatibles). Cependant, en comparant les concentrations en H
avec un marqueur de la fusion partielle (Yb du cpx), l’H semble avoir un comportement similaire
à une MREE (e.g., Sm ; D(cpx/liquide) ~0.29).
L’interaction peridotite-basalte hôte a été étudiée et montre, dans le cas des olivines, des
variations chimiques couplées entre éléments majeurs et les concentrations en H en fonction de
leur proximité au filon. Plus l’olivine se rééquilibre avec le liquide moins elle contient d’H. Bien
que partiellement rééquilibrés avec la lave hôte, les pyroxènes ne montrent pas le même
comportement. Enfin, des xénolites composites (filons et veines traversant/jouxtant une
péridotite) ont permis l’étude à l’échelle millimétrique à pluri-centimétrique du comportement de
l’H lors du métasomatisme d’éponte. Chaque échantillon présente des concentrations en H
homogènes pour chacune des phases minérales. Cependant plus les filons contiennent
d’amphibole moins il y a d’H dans les NAMs. D’autre part, une nouvelle fois, la corrélation
positive entre les concentrations en H des NAMs et le Sm(cpx) en tant que marqueur de
métasomatisme suggère que l’H se comporte comme une MREE.
En conclusion, les minéraux des spl-harzburgites contiennent en moyenne un peu plus d’H
que ceux des spl-lherzolites. Les concentrations en H des olivines sont sensibles à la
dévolatilisation lors de la remontée dans le système magmatique et le rééquilibrage avec le
magma. Au contraire, les concentrations en H des pyroxènes, spécialement l’opx, sont très
homogènes suggérant que les concentrations mantelliques sont préservées. La présence
d’amphibole n’implique pas un enrichissement en H des NAMs coexistant. Le comportement de
l’H lors de la fusion partielle et du métasomatisme reste complexe ; nos données suggèrent que
l’H suit les MREE tel que le Sm.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)