Petrological evolution of subducted lithospheres: phases transformations and kinetics from in situ experiments
Evolution petrologique des lithospheres en subduction: approche experimentale in situ des transformations mineralogiques et de leurs cinetiques
Résumé
The evolution of a subduction zone is intimately linked with the petrological reactions in the subducting plate and their kinetics. Several examples showing this relation have been experimentally investigated using HP-HT devices (large volume press, diamond anvil cell) and synchrotron in situ X-ray diffraction. (i) The transformation rates of coesite into its low-pressure polymorph, quartz, have been determined. These kinetic data are used to discuss the preservation of coesite during its ascent to the Earth's surface, and the tectonic processes related to the exhumation of ultra-high pressure rocks. The use of the percentage of retrogression of natural coesite inclusions to constrain P-T-t paths is examined. (ii) The breakdown of antigorite under low H2O activity conditions results in a fluid discharge rate of the order of 3.10-6 to 3.10-8 m3fluid.m-3rock.s-1. This is faster than the viscous relaxation of serpentinites, and could lead to brittle failure or weakening of pre-existing faults. The dehydration of antigorite could thus provide an explanation for the seismicity in the lower plane of double seismic zones. (iii) The petrological assemblage of a mid ocean ridge basalt (MORB) under lower mantle conditions consists mostly of Mg-rich perovskite, Ca-rich perovskite and stishovite. Between 800 and 1150 km, two Al-rich phases occur, the Ca-ferrite type and the new aluminum-rich phase (NAL), and represent 20 wt% of the assemblage. At 1200 km approximately, the NAL phase disappears whereas all other phases are stable up to 1400 km depth. From 800 to 1400 km, the density of a thermally equilibrated oceanic crust is higher than that of the surrounding mantle. Moreover, the NAL disappearance triggers a 1% density rise, increasing the dragging effect of the oceanic crust in the uppermost lower mantle. This petrological change might be related to the seismic heterogeneities detected at ~1200 km depth beneath Pacific subduction zones. (iv) Finally, investigations on the chemical analysis of experimental samples, at a sub-micron scale, using a nano-SIMS ion probe are presented.
L'évolution d'une zone de subduction est reliée aux transformations pétrologiques de la plaque plongeante et à leurs cinétiques. Plusieurs exemples illustrant cette relation ont été étudiés expérimentalement, à l'aide des techniques de HP-HT (presse large volume, cellule à enclumes de diamant chauffage laser) et de la diffraction de rayons X in situ source synchrotron. (i) La vitesse de transformation de la coésite vers son polymorphe de basse pression, le quartz, a été déterminée. Cette cinétique de rétromorphose permet de discuter les modalités de préservation de la coésite lors de son retour vers la surface, et par là les processus tectoniques à l'origine de l'exhumation des roches de ultra-haute pression. L'utilisation du taux de rétromorphose de coésites naturelles pour la modélisation des chemins P-T-t d'exhumation est discutée. (ii) La déstabilisation de l'antigorite (serpentine), dans des conditions de faible activité d'H2O, libère des fluides à une vitesse de 10-6 à 10-8 m3fluide.m-3roche.s-1. Ces taux de production de fluides seraient susceptibles d'occasionner une augmentation de la pression de fluides et une hydrofracture de la matrice rocheuse. La déshydratation de l'antigorite pourrait ainsi expliquer la séismicité du plan inférieur des zones à doubles plans de Bénioff. (iii) L'assemblage minéralogique d'un basalte de ride médio-océanique (MORB) dans le manteau inférieur est constitué majoritairement de Mg-pérovskite, Ca-pérovskite et stishovite. De 800 à 1150 km de profondeur, deux phases alumineuses sont présentes, l'une de structure calcium ferrite et l'autre nommée "new aluminum phase" (NAL), et représentent 20% pds de l'assemblage. A ~1200 km, la phase NAL disparaît alors que toutes les autres phases restent stables jusqu'à 1400 km au moins. De 800 à 1400 km, la densité de la croûte océanique à l'équilibre thermique est plus élevée que celle du manteau environnant. En outre, la disparition de la NAL conduit à un saut de densité de +1% qui pourrait être responsable de réflecteurs sismiques profonds observés dans les zones de subduction péri-Pacifique. (iv) Enfin, des investigations sur l'analyse chimique à l'échelle sub-micronique d'échantillons de pétrologie expérimentale par sonde ionique nanoSIMS sont présentées.
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