Caractérisation des magmas primaires de ST.VINCENT

St. Vincent

St. Vincent (Fig. I.7) est situé dans la partie sud de l’arc. La partie Nord de l’île est composée d’un stratovolcan actif, laSoufrière dont l’activité, caractérisée par l’extrusion de dômes de laves andésites basaltiques, aurait débuté il y a 0.6 Ma (Briden et al., 1979).
Cependant, les âges des laves de St. Vincent sont relativement mal contraints, mais on estime qu’elles ont été mises en place entre le Pliocène, la lave laplus ancienne aurait 2.5 Ma (Briden et al., 1979), à l’actuel, la dernière éruption de la Soufrière datant de 1979. Les 6 autres centres volcaniques présents sur l’île (Richmond peak, Mt. Brisbane, Hermitage Mt., Grand et Petit Bonhomme, Mt. St. Andrew) sont éteints. St. Vincent est l’une des seules îles de l’arc des Petites Antilles, avec Grenade etles Grenadines, connue pour ses basaltes magnésiens sous-saturées en silice (par exemple : les laves de Black Point ont des teneurs en MgO de 12.5 wt%). Ces basaltes riches en MgO sont essentiellement associés au volcanisme ancien (0.6 Ma-10 ka) mais aussi décrits dans les produits récents (3600-4500 ans) de la formation pyroclastique des tufs jaunes qui, du fait de son volume (estimé à 0.48 km3), a recouvert une partie de l’île (Yellow Tuffs, Heath et al., 1998). Les produits plus évolués, comme les andésites sont également présents.
Les laves andésitiques de la Soufrière ont été étudiées en détail et sont interprétées comme dérivées des magmas basaltiques riches en MgO, voir des magmas picritiques, par cristallisation fractionnée dans un domaine de pression de3 à 17 kbar (Heath et al., 1998).
Replacé dans le contexte géochimique des Petites Antilles, les laves de St. Vincent pourraient représenter une transition entre les suites magmatiques des îles centrales (calcoalcalines) et celles du sud (alcalines) selon Brown et al. (1977), ou encore une transition entre des laves tholéitiques et des laves calco-alcalines (Thirlwall et al., 1994). Smith et al. (1996) quant à eux considèrent les laves deSt. Vincent comme tholéitiques.
Les travaux expérimentaux de Pichavant etal. (2002) sur un échantillon de basaltes magnésiens (St 301, Black Point), considéré comme représentatif des magmas les plus primaires de St. Vincent, démontrent l’influence de la teneur en eau sur les conditions d’extraction des magmas (Fig. I.8). La composition des basaltes magnésiens de St. Vincent suggèrent une teneur en eau de ~2% dans les magmas primaires générés à 1230°C, 13kbar.

Contexte Géologique

Cependant, des liquides basaltiques (MgO > 10.0% pds) plus hydratés (contenant jusqu’à 5% d’eau) impliquerait une fusion à plus faible température (~1170°C) et plusforte pression (~16 kbar, Fig. I.8). Ces magmas vont cristalliser en profondeur et ont peu de chance d’être émis directement en surface.

Présentation des inclusions vitreuses

Les inclusions vitreuses (Fig.II.1) sont de petites billes de magmas, piégées dans un cristal, au cours de la remontée du magma vers la surface.
On distingue plusieurs sortes d’inclusions: les inclusions primaires, et les inclusions secondaires. Les inclusions primaires sont co-génétiques à la formation de leur hôte, piégées essentiellement grâce à un mécanisme de croissance du cristal (Roedder, 1979, Faure et Schiano, 2005). Ces inclusions sontréparties de façon aléatoire ou alignées selon les plans de croissance du minéral, et souvent associées à des inclusions minérales telles que les spinelles, sulfures ou autres. Les inclusions secondaires sont postérieures à la croissance du minéral hôte et s’alignent sur des plans de déformation du minéral. Une autre catégorie peut également être mentionnée: les inclusions non totalement piégées dans le cristal hôte, appelées par la suite « golfes ». Ces inclusions sont restées en contact avec le liquide magmatique environnant, elles n’ont donc pas évoluées en système clos: elles ont alors perdu leurs volatils et présentent des compositions très souvent évoluées.

Représentativité des inclusions vitreuses

Depuis une dizaine d’années, l’étude des inclusions vitreuses s’est largement développée. Les techniques de plus en plus perfectionnées permettent toutes sortes d’analyses. Cette multiplication d’études a fait apparaîtrede très larges variabilités géochimiques (Sobolev, 1996; Schiano, 2003), interprétée par certains auteurs comme étant le reflet d’effets secondaires et non une hétérogénéité de la source (Spandler et al., 2007). De même, l’étude expérimentale de la formation des inclusions a permis de mettre en évidence que certaines inclusions pouvaient présenter des compositionschimiques anormales si elles sont piégées dans des olivines ayant cristallisées rapidement (Faure et Schiano, 2005).
Ces différents points sont résumés dans ce paragraphe, afin de montrer qu’il est important de bien choisir et étudier l’échantillon avant toute interprétation.

Taille des inclusions

La présence de « couche limite » adjacente aux cristaux en train de croître, reliée au gradient de diffusion, est un des processus responsable de la non représentativité des inclusions vitreuses, du fait dela faible diffusion des éléments incompatibles (Watson, 1996). Si de telles couches sont piégées en tant qu’inclusion dans un cristal,le verre peut être anormalement enrichi en certains éléments diffusant plus lentement que la vitesse de croissance, tel que P, S ou Cl. Anderson (1974) conclut toutefois que les phénomènes de piégeage de couches limites affectent peu les inclusions vitreuses et que cet effet n’est plus visible dans les inclusions de plus de 25µm de diamètre. Au contraire Baker (2008) accorde une large importance à l’effet de couche limite et au processus de fractionnement des éléments en fonction de leur diffusivité. Baker suggère que les effets de couche limite sont fortement probables pour une vitesse de croissance 3 fois supérieure à lavitesse de diffusion de l’élément considéré. Ceci démontre la nécessité de faire une étude fine de la composition de l’inclusion et de son minéral hôte pour comprendre sa représentativité.

Modifications post- piégeages

Pour être représentatives du système magmatique, les inclusions ne doivent pas avoir subi d’évolution post-piégeage majeure. Il est important de signaler ici que les paragenèses de l’inclusion et de la roche totale peuvent être différentes, puisqu’elles évoluent dans deux systèmes distincts, les inclusions étant le plus souvent considérés comme un système clos.
L’évolution de la composition d’une inclusion après piégeage est conditionnée par différents paramètres (Fig. II.4):
– décompression durant l’ascension du magma: lors du piégeage, la pression interne de l’inclusion est égale à la pression de son hôte (Schiano et Bourdon, 1999).Lors de la remontée rapide du magma, l’inclusion se dilate de manière plus importante que le cristal. Si la surpression créée est supérieure à la pression des aturation des gaz contenus dans le liquide, un phénomène d’exsolution des gaz se produit. Leminéral hôte ne pouvant généralement pas compenser cette dilatation subite de l’inclusion, celle-ci va éclater. Ce phénomène est appelé décrépitation.

Description des inclusions analysées.

Pour la majorité de cette étude, les inclusions sont piégées dans des cristaux d’olivines, dans un souci d’acquérir des données les plus proches possibles du magma primaire. Différents échantillons de scories magnésiennes ont été étudiés. Les scories étant des produits magmatiques remontés rapidement à la surface, il est plus facile de trouver des inclusions préservées à l’état vitreux, limitant les modifications post-piégeage. Les inclusions préservées à l’état vitreux et représentatives de magmas primitifs sont rares aux Petites Antilles. Par exemple, les produits des cônes basaltiques de Citerne et Echelle à la Guadeloupe sont altérés et les olivines iddingsitisées. Un échantillonnage exhaustif des produits pyroclastiques de St Vincent et Grenade a été réalisé. Une dizaine d’échantillons sur chaque île a été tamisés pour séparation des olivines. La majorité des inclusions magmatiques
des olivines des produits primitifs des îles du sud de l’arc sont cristallisées, confirmant la remarque de Devine (1995). Sur l’ensemble de ces échantillons, seul un dépôt pyroclastique à St. Vincent (SVN4b) et différents niveaux d’unlarge cône de scories à Grenade (Queen’s Park, G05-06;07;08;09) ont fourni des échantillons propices à l’étude des inclusions, car contenant des inclusions à l’état vitreux, sans cristallisation, de taille > 20 µm. Ces inclusions sont communément associées à un spinelle, présentent une bulle de rétractation thermique (Fig. II.1). Elles sont piégées dans des phénocristaux ayant préservés leur zonation, impliquant un faible temps de résidence dans le magma hôte, puisque le Fer diffuse rapidement dans l’olivine (Danyushevsky et al.,2000). Les interactions entre inclusions et minéraux sont donc limitées.
Les inclusions étudiées par microsonde électronique puis sonde ionique sont le plus souvent de forme ovoïde, mais aussi allongée ou de forme plus variable. Leur taille varie de 40 à 150-200 µm pour l’échantillon de St. Vincent, de 25 à 50µm à Grenade (à l’exception de 4 inclusions de ~100 µm). La détermination de la composition en éléments majeurs des inclusions et olivines hôtes montre une légère diffusion du fer pour les inclusions piégées dans les olivines magnésiennes (Fo > 87) de St. Vincent : dans un diagramme FeOinclusionen fonction du Foolivine hôte, ces inclusions présentent des valeurs plus faibles en FeO (Fig. II.6).
Cette perte en fer est également mise en évidence par le calcul du Kd : ces inclusions sont caractérisées par des Kd > 0.3 (jusqu’à 0.45). Plusieurs points d’analyses ont été effectués dans les olivines : au cœur, en bordure, et à proximité de l’inclusion. Les compositions des olivines à proximité des inclusions qui semblent avoir perdu du fer montre une diminution locale du pourcentage de forstérite. La teneur enfer pour les inclusions de St. Vincent a été recalculée comme égale à 9.5 wt%. Cette valeur est celle mesurée dans les basaltes magnésiens (HMB) de St. Vincent, mais également la plus élevée mesurée dans les inclusions piégées dans des Fo> 86de cet échantillon. Ce phénomène n’est pas (ou peu) observé dans les échantillons de Grenade.

Préparation des échantillons

L’analyse des inclusions magmatiques nécessite une préparation longue et minutieuse des échantillons. Les roches sont concassées aubroyeur à mâchoires, puis lavées, étuvées et enfin tamisées en différentes fractions. Les cristaux d’olivines des fractions 0.5 à 1 mm sont triés manuellement sous une loupe binoculaire et collés sur une lame de verre grâce à du scotch double face. Ils sont ensuite inclus dans une pastille grâce à de la résine Epofix afin d’être polis et observés au microscope en lumière transmise. Les cristaux contenant des inclusions non cristallisées et suffisamment volumineuses (diamètre > 20 μm) sont extraits de la résine en utilisant un fer à souder, puis montés séparément dans des petits cylindres métalliques (diamètre: 4 mm, hauteur: 10 mm) et inclus de nouveau dans de la résine Epofix.
Chaque cristal est ensuite poli jusqu’à affleurement des inclusions, puis passé dans un bain à ultrason afin d’éliminer les impuretés induites par le polissage.
Les différents cylindres sont montés sur un support métallique pouvant accueillir six plots. Le tout est métallisé au carbone afin d’éliminer les charges électriques à la surface lors des analyses à la microsonde électronique. Les inclusions sélectionnées pour les analyses SIMS 1270 et 3f sont nettoyées de la couche de carbone, puis montées de nouveau dans des pastilles contenant de 9 à 12 cristaux et inclus dans de la résine Epofix. La métallisation sera alors faite à l’or pour une meilleure conduction.

Micro-thermométrie optique

Certaines inclusions des échantillons de laGuadeloupe présentaient des évidences de cristallisation, nécessitant une étape d’homogénéisation. Ce processus consiste à réchauffer l’inclusion jusqu’à sa température de piégeage afin d’inverser les processus intervenant lors du refroidissement (nucléation de minéraux fils, bulle de rétractation thermique, dévitrification).
Le système minéral-inclusion est ensuite trempé afin d’avoir la composition du liquide initial.
Cette étape d’homogénéisation a été réalisée en deux temps:
– La température de chauffe des inclusionsde la Guadeloupe a été déterminée sur platine chauffante à 1 atm fixée sur un microscope (LPS, CEA-Saclay) sur plusieurs inclusions de différents cristaux. La platine a été auparavant calibrée par fusions d’un point d’or (point de fusion à 1064°C) et d’un point d’argent (point de fusion à 963°C). Afin de déterminer le point d’homogénéisation, la température a été augmentée progressivement: de 20°/min jusqu’à 600°C, puis de 5°C/min jusqu’à 700°C et enfin de 2°C/min jusqu’à observation de l’homogénéisation des inclusions. Les inclusions de la Guadeloupe s’homogénéisent à 1000°C. Le tauxde refroidissement a été fixéà 100°C/min, afin de tremper les inclusions, sans toutefois les faire éclater.
– Le reste des inclusions a été homogénéisé dans un four 1 atm vertical, en utilisant la température déterminée par platine chauffante (1000°C). Les inclusions des échantillons de
La Guadeloupe étant piégées dans des plagioclases et pyroxènes, il n’est pas nécessaire de contrôler parfaitement la fugacité d’oxygène, puisque ces minéraux s’oxydent moins rapidement que l’olivine. Les expériences sont donc réalisées sans flux d’hélium.

Résumé étendu de l’articlepublié à Journal of Petrology

Il est communément admis que les magmas des Petites Antilles dérivent de la fusion d’un manteau de type MORB modifié par l’ajout de fluides issus de la lithosphère subductée. Cependant, les contributions respectives des différents fluides issus du slab sont encore source de débat.
Les basaltes fortement magnésiens (HMB, mg-number >70, MgO > 10 wt%) présents à St. Vincent sont considérés comme représentant les magmas parents des laves de l’arc des Petites Antilles (e.g. Pichavant et al., 2002; Macdonald et al., 2000). De récentes études expérimentales ont montré que les HMB de St. Vincent seraientgénérés par 15% de fusion partielle d’une source mantellique de type MORB à ~17 kbar (50-60 km) et ~1130°C (Pichavant et Macdonald, 2003, 2007). Cependant, le manteau a été modifié par l’ajout de fluides aqueux, modifiant les conditions P-T ainsi que le degré de fusion. Les magmas primaires des HMB pourraient avoir été extraits à 1235°C, 11.5 kbar pour un magma contenant 1.5 % pds H2O, ou 1185°C, 16 kbar pour 4.5 % pds H2O (Pichavant et al., 2002; Pichavant et Macdonald, 2007).
Afin de déterminer la nature et proportion des composants issus du slab sur la source mantellique, les teneurs en H2O, S, Cl, F, Li, B et les compositions en δ 7 Li, δ 11 B, δ 18O, δS ont été déterminées dans des inclusions de 40 à 150 µm, préservées à l’état vitreux dans des phénocristaux d’olivines. Parmi tous les échantillons coll ectés à St. Vincent, un seul (SVN4b), échantillonné sur la côte ouest près de Troumaka, présentait ce type d’inclusions, suffisamment grandes pour être analysées et bien préservées afin de pouvoir analyser les teneurs en volatils et limiter les effets d’évolution post-piégeage.
Les olivines hôtes sont majoritairement zonées avec un cœur magnésien Fo89-85et une bordure plus évoluée Fo85-77, suggérant une remontée rapidedu magma hôte (Annexe 3). De nombreux spinelles, dont le Cr# ([Cr/(Cr+Al)]) varie de 0.45 à 0.63 (annexe 7), parfois associés à une inclusion, ont été piégés dans les olivines. Certains spinelles (4) associés aux inclusions présentent une surcroissance alumineuse (Cr# = 0.2-0.45, Al2O3et MgO atteignant jusqu’à 60 % pds et 20 % pds), interprétée ici comme une réaction à faible température entre le spinelle et l’inclusion, dont les compositions sont riches en Al2O3(14.6 to 23.2 % pds), surla base des travaux expérimentaux (Pichavant et al., 2002).
Plus de 200 inclusions et golfes ont été caractérisés en éléments majeurs, dont 46 inclusions et 4 golfes analysés à la sonde ionique afin de déterminer leurs compositions en éléments légers, volatils et isotopes stables (annexes 10-11). La plupart des inclusions ont été analysés pour l’ensemble de ces éléments, afin de pouvoir comparer les différentes informations apportées par les isotopes stables, les éléments légers et volatils. Les inclusions n’étant pas toutes suffisamment volumineuses pour réaliser toutes ces mesures sur différents spots, la reproductibilité des résultats sur un même spot a été vérifiée Pour cela, les analyses ont été faites plusieurs fois, soit sur un même spot, soit sur un spot différent. Les résultats se sont avérés reproductibles, avec une variation entre 2 mesures bien inférieures à la variation observée sur l’ensemble des inclusions.

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
1. Le volcanisme d’arc
2. Objectif de cette étude
CHAPITRE I: CONTEXTE GÉOLOGIQUE
I.1. La plaque Caraïbe
I.2. L’arc insulaire des Petites Antilles
I.3. St. Vincent
I.4. Grenade
I.5. La Guadeloupe
CHAPITRE II: LES INCLUSIONS VITREUSES
II.1. Présentation des inclusions vitreuses
II.2. Représentativité des inclusions vitreuses
II.2.1. Taille des inclusions
II.2.2. Effet de la croissance de l’olivine
II.2.3. Modifications post-piégeage
II.2.4. Effet du temps de résidence de l’olivine dans le magma hôte
II.2.4.a. Perte en fer
II.2.4.b. Perte en eau
II.2.4.c. Ajout d’eau
II.2.4.d. Diffusion des éléments traces
II. 3. Correction de la cristallisation du minéral hôte aux bords de l’inclusion
II.4. Descriptions des inclusions analysées
CHAPITRE III: TECHNIQUES ANALYTIQUES
III.1 Préparation des échantillons
III.2. Micro-thermométrie optique
III.3. Analyses les éléments majeurs par microsonde électronique
III.3.1. Présentation et fonctionnement
III.3.2. Analyse des éléments majeurs
III.4. Analyses des teneurs et isotopes des éléments légers : SIMS 1270
III.4.1. Principe de fonctionnement
III.4.2. Conditions d’analyses
III.5. Analyses d’éléments traces, terre rares et δD: SIMS 3f
III.5.1.Analyses des éléments traces et terres rares
III.5.2. Détermination du δD dans les inclusions
III.6. Analyses des roches totales et sédiments
CHAPITRE IV: CARACTÉRISATION DES MAGMAS PRIMAIRES DE ST.VINCENT
IV.1. Résumé étendu de l’article publié dans Journal of Petrology
IV.2. Article publié dans Journal of Petrology
CHAPITRE V: CARACTÉRISATION DES MAGMAS PRIMAIRES DE GRENADE
IV.1. Résumé étendu de l’article soumis à Earth and Planetary Science Letters
IV.2. Article soumis à Earth and Planetary Science Letters
Abstract
1. Introduction
2. Sample location and description
3. Analytical methods
4. Mineral chemistry
5. Melt inclusions
5.1. Major element chemistry
5.2. SIMS data
5.2.1. Volatiles and light element compositions
5.2.2. Isotopic compositions
6. Discussion
6.1. Successive events of metasomatism of a MORB-type mantle source beneath Grenada
6.1.1. Metasomatised MORB-type mantle source
6.1.2. Slab signatures of magmas
6.2. Magma water variations
6.3. Inference on melt extraction
7. Conclusions
CHAPITRE VI: COMPARAISON DES MAGMAS PRIMAIRES DE ST. VINCENT ET GRENADE ET COMPARAISON AVEC LES MAGMAS EVOLUÉS DE LA GUADELOUPE
VI.1. Résumé étendu de l’article en préparation pour Earth and Planetary Science Letters
VI.2. Article en préparation pour Earth and Planetary Science Letters
Abstract
1. Introduction
2. Petrological and geochemical background
2.1. Sampling
2.2. Melt inclusions and their host olivines
2.2.1. Major elements
2.2.2. Volatile, light elements and stable isotopes
3. Analytical methods
4. Results
5. Discussion
5.1. Selective enrichment vs. partial melting degree
5.2. Slab influence: aqueous vs. silicate-rich fluids
5.2.1. Aqueous fluid signature
5.2.2. Solute-rich, High-T fluids component
6. Conclusions
VI.3. Apports des compositions en éléments traces dans les olivines de St. Vincent et Grenade
VI.4. Comparaison des inclusions de St. Vincent et Grenade avec les inclusions de l’éruption de 1530 A.D. de la Guadeloupe
VI.4.1. Description des échantillons
VI.4.2. Composition des minéraux hôtes
VI.4.3. Composition des inclusions
VI.4.3.1. Compositions en éléments majeurs
VI.4.3.2. Composition en éléments légers et isotopes stables
VI.4.4. Premières interprétations
CONCLUSIONS GÉNÉRALES ET PERSPECTIVES
Conclusions Générales
Perspectives
Références bibliographiques
Table des figures
Table des tableaux
ANNEXES