Vertically layered mafic cumulates in the root zone of an océan island volcano (Fuerteventura, Canary Islands); implications for magma differentiation

Détails

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ID Serval
serval:BIB_B7E7B5B947E1
Type
Thèse: thèse de doctorat.
Collection
Publications
Titre
Vertically layered mafic cumulates in the root zone of an océan island volcano (Fuerteventura, Canary Islands); implications for magma differentiation
Auteur(s)
Tornare Evelyne
Directeur(s)
Bussy François
Codirecteur(s)
Pilet Sébastien
Institution
Université de Lausanne, Faculté des géosciences et de l'environnement
Adresse
Faculté des géosciences et de l'environnement
Université de Lausanne
CH-1015 Lausanne
SUISSE

Statut éditorial
Acceptée
Date de publication
2017
Langue
anglais
Résumé
L'étude de la structure interne des volcans d'îles océaniques intraplaques est importante pour mieux comprendre leur fonctionnement, afin de définir et localiser les processus magmatiques qui se produisent entre la génération du magma dans le manteau et l'éruption des laves. La cristallisation fractionnée, c'est-à- dire la séparation des cristaux du liquide magmatique, est communément admise comme étant un mécanisme important dans le processus d'évolution chimique du magma, appelé différenciation magmatique. Mais le lieu et la géométrie des systèmes où ce processus opère reste encore débattus. Il est traditionnellement attribué à la stagnation des magmas dans des chambres ou réservoirs magmatiques durant leur traversée depuis le manteau vers la surface. A Fuerteventura, Canaries, un édifice volcanique d'âge Miocène a été intensément érodé, ce qui a mis à nu sa racine dans laquelle affleure aujourd'hui une intrusion verticalement litée appelée PX1. L'érosion n'a par contre pas détruit la totalité des coulées de laves alcalines contemporaines à la formation de PX1. Fuerteventura constitue ainsi une formidable opportunité d'étudier les processus magmatiques qui se sont déroulés en profondeur dans le conduit volcanique et de les mettre en perspective avec les laves émises en surface. PX1 est une intrusion filonienne complexe qui consiste en un réseau de conduits d'alimentation verticaux et enchevêtrés. Les filons sont composés de roches variant entre des wehrlites, clinopyroxénites et gabbros. La plupart de ces roches ont une composition cumulative et représentent de ce fait une accumulation de cristaux séparé de leur liquide magmatique résiduel. Cette étude vise à expliquer les mécanismes qui ont permis la formation des cumulas dans ces conduits verticaux et non pas dans un réservoir magmatique, mais aussi à comprendre l'implication qu'a eu leur formation sur la l'évolution chimique des laves qui y ont transité.
L'étude détaillée des textures et de la chimie des roches et minéraux plutoniques et effusifs montre que la formation de ces cumulas est liée à différentiation des laves qui ont transité vers la surface. Cependant, elle révèle des processus plus complexes qu'une simple cristallisation et accumulation dans ces chenaux verticaux. Les textures complexes des clinopyroxènes suggèrent une croissance en plusieurs étapes ; des cœurs résorbés et de composition assez primitive sont associés à des stades de l'évolution magmatique antérieurs à l'intrusion lui-même, et les surcroissances des cristaux relatent un contact prolongé avec des apports successifs de magmas mafiques et moyennement différenciés. Des textures cristallines asymétriques attestent aussi de croissance en milieu confiné, peu en accord avec une possible remobilisation de ces cumulas par le magma ascendant depuis un réservoir sous-jacent. Ces observations soutiennent fortement l'hypothèse d'une différentiation magmatique par cristallisation fractionnée. Mais contrairement à la vision traditionnelle qui implique une période de stagnation magmatique dans un réservoir, ce processus a pu se produire de manière dynamique alors que les magmas remontaient vers la surface dans ces conduits verticaux.
La diversité des roches plutoniques est attribuée à trois facteurs principaux : la ségrégation des cristaux dans le magma, la composition chimique et cristalline des magmas qui ont percolé dans les conduits et surtout l'efficacité de l'extraction des liquides interstitiels hors des amas de cristaux qui se développaient dans les conduits. Ce dernier facteur contrôle le degré cumulatif de la roche finale. Cela implique que pour former une roche très cumulative, un conduit doit rester à haute température afin d'empêcher la cristallisation des liquides interstitiels, et ceci suffisamment longtemps pour qu'un facteur externe puisse provoquer leur expulsion. Un modèle numérique a été développé pour vérifier la faisabilité de générer les conditions thermiques requises par la formation de ces cumulats en simulant la croissance d'un pluton par emplacement successif de conduits dans lesquels un flux de magma est maintenu temporairement.. Les résultats obtenus montrent qu'il est possible de générer et de préserver ces hautes températures pour des échelles de temps en accord avec les fréquences et le durées d'éruption historiques répertoriées pour certains volcans d'îles océaniques.
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The study of the internai structure of basaltic oceanic intraplate volcanoes is essential to better understand how volcanic systems work, as well as to define and locate magmatic processes occurring between magma génération in the mantle and éruption. In Fuerteventura, Canary Islands, a Miocene dismembered volcano provides an excellent opportunity to study the magmatic processes which occurred in the volcanic conduit. It enables us to link the cumulate formation in vertical channels in the root zone of the volcano with contemporaneous lava flows.
The mafic - ultramafic intrusion, named PX1, consists of a complex network of amalgamated centimetric to plurimetric feeder dikes. These are mostly constituted of cumulative rocks represented by wehrlites, clinopyroxenites and gabbros. The genetic link between plutonic lithologies and lavas was established based on compositional and textural similarities between plutonic clinopyroxene and phenocrysts in lava. Semi-quantitative modeling shows that fractional crystallization can explain the évolution of the lavas from basalts to basaltic trachyandesites. This model reproduces the progressive fractionation of minerai assemblages corresponding to the crystallization sequence deduced from the plutonic rocks. However, complex core-rim chemical zoning observed in PX1 clinopyroxene suggest more complicated differentiation processes than simple crystal ségrégation and accumulation in vertical conduits. Primitive and resorbed cores suggest that they represent preexisting crystals entrained from deeper levels or crystallized during early stages of magma évolution. Reverse zoning and external résorption features in clinopyroxene mantles suggest progressive crystal coarsening by interaction with successive mafic to moderately differentiated melt puises. Asymmetry in chemical zoning suggests crystallization in a confined environment. These observations support the hypothesis of magma differentiation by fractional crystallization. But unlike the traditional représentation which implies a period of magma stagnation in a reservoir, this process could take place dynamically during vertical transport of magma in feeder conduits.
The plutonic lithological variability is controlled by three main factors: the efficiency of crystal-melt ségrégation; the degree of differentiation and modal proportions of the magmas at time of intrusion and the extraction efficiency of residual melts from the minerai cumulâtes, distinguishing typically a clinopyroxenite from a gabbro. It is assumed that cumulate formation in a dike requires the préservation of high températures in the conduit keeping it partially molten until a subséquent dike may cause the residual melt extraction by compaction. Based on this assumption, a thermal model was developed simulating incrémental pluton growth by random magma channel emplacement in a confined area. The model reproduces petrological observations of long-lasting crystal-melt interaction by simulating magma flow inside the channels for a certain amount of time. The addition of a prolonged magma flow (1 to 3 months) combined with short intervais between dike injections (< 25 years) allows to reproduce the thermal constraints required for the PX1 cumulate formation, and also for the development of a broad migmatitic aureole surrounding the intrusion. The timescales predicted by the model are in agreement with data of historical eruptive frequencies and durations recorded for some oceanic island volcanoes, supposed comparable to the Miocene volcanoes of Fuerteventura.
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L'étude de la structure interne des volcans océaniques intraplaques est essentielle pour mieux comprendre leur fonctionnement, ainsi que pour définir et localiser les processus magmatiques qui agissent entre la génération des magmas à la source et l'éruption. A Fuerteventura, Canaries, un volcan miocène érodé constitue ainsi une formidable opportunité d'étudier les processus magmatiques qui se sont déroulés en profondeur dans le conduit volcanique. Il permet de mettre en perspective la formation de cumulats dans des conduits verticaux au sein du complexe racinaire du volcan avec les laves alcalines parallèlement émises en surface.
L'intrusion mafique - ultramafique PX1 s'apparente à un réseau filonien complexe constitué de conduits d'alimentation subverticaux (centimétriques-plurimétriques) et enchevêtrés, révélant des roches principalement cumulatives variant entre des wehrlites, des clinopyroxénites et des gabbros. Le lien génétique entre les lithologies plutoniques et les laves a été établi sur les similarités compositionnelles et texturelles entre les clinopyroxènes plutoniques et les phénocristaux des laves. Un modèle semi-quantitatif a été développé afin d'expliquer l'évolution des laves entre les compositions basaltiques et trachy- andésitiques par cristallisation fractionnée. Ce modèle reproduit le fractionnement progressif d'assemblages minéralogiques correspondant à la séquence de cristallisation déduite des roches plutoniques. Cependant, les zonations complexes fournies par les clinopyroxènes de PX1 suggèrent des processus de différentiation plus compliqués qu'une simple cristallisation fractionnée avec accumulation de ces cristaux dans les chenaux verticaux. Les cœurs résorbés de composition primitive représentent potentiellement des cristaux préexistants remobilisés depuis des niveaux inférieurs ou cristallisés lors d'étapes antérieures de l'évolution magmatique. Des zonations inverses et des résorptions externes observées dans les manteaux des grains indiquent une croissance progressive en contact prolongé avec des injections successives de magmas mafiques à modérément différenciés. De plus, des textures asymétriques témoignant d'une croissance en milieu confiné suggèrent que ce processus a eu lieu in situ dans ces chenaux verticaux. Ces observations soutiennent fortement l'hypothèse d'une différentiation magmatique par cristallisation fractionnée. Mais contrairement à la vision traditionnelle qui implique une période de stagnation magmatique dans un réservoir, ce processus a pu se produire de manière dynamique durant la remontée des magmas dans les conduits verticaux.
La variabilité des lithologies plutoniques est contrôlée par trois principaux facteurs : l'efficacité de la séparation des cristaux du liquide, le degré de différentiation et la cristallinité des magmas lors de l'intrusion, et surtout l'efficacité de l'extraction des liquides résiduels distinguant la formation d'une clinopyroxénite d'un gabbro. La formation des lithologies fortement cumulatives impliquent la préservation de très hautes températures permettant de maintenir le conduit partiellement liquide jusqu'à ce que la mise en place ultérieure d'un conduit, ou une autre raison externe, puisse provoquer l'extraction du liquide interstitiel par surpression latérale. Sur ce postulat, un modèle thermique a été développé, simulant la croissance d'un pluton par injection de filons successifs placés aléatoirement dans une zone confinée. L'addition de flux magmatique prolongée (1 à 3 mois) combiné avec un intervalle court entre les injections de filon (< de 25 ans) permettent de produire les contraintes thermiques requises par la formation des cumulats de PX1, mais aussi par le développement de l'épaisse auréole de migmatite observée autour de l'intrusion. Ces échelles de temps sont tout à fait en accord avec des mesures de fréquences et de durées d'éruptions historiques répertoriées pour les volcans d'îles océaniques.
Création de la notice
04/09/2017 11:08
Dernière modification de la notice
20/08/2019 16:26
Données d'usage