Arc magma sources : contribution of primitive olivine-hosted melt inclusions from Ecuadorian volcanoes
Les sources du magmatisme d'arc : apport des inclusions magmatiques piégées dans les olivines primitives de l'arc équatorien
Résumé
Arc magmas inherit its composition from three reservoirs: the mantle wedge, the arc crust and the subducted slab. The contribution of the mantle and slab components is constrained from the study of primitive magmas, which is the magma yet to interact extensively with the crust. Determining the slab component signature is particularly important, because the nature of the petrological and geochemical signature is an indicator of the thermal state occurring along subduction zones. For instance, primitive volcanic rocks that are enriched in fluid-mobile elements (e.g. Ba, Pb, B) are related to cold subduction zones where the slab component is expected to be an aqueous fluid. Hotter subduction zones favors the occurrence of higher-temperature fluids or hydrous siliceous melts which are characterized by a geochemical signature that is enriched in fluid-immobile elements (e.g. La, Th). The geochemical signature of the slab component (either fluid, melt or something between this dichotomy) is ultimately transferred to arc magmas through mantle metasomatism and subsequent partial melting. Some high fluid-immobile element signatures of arc magmas can also be acquired in the crust by assimilation, although, in general this is a feature observed in evolved rocks. In Ecuador, some lavas are enriched in fluid-immobile elements and the origin of this geochemical signature is discussed between whether it is imparted by the slab or acquired in the continental crust. Both scenarios have good basis. On one hand, the subduction of a young oceanic crust in the Northern Ecuador (<20 Ma) could account for the addition of high-temperature fluids or melts to the mantle wedge. On the other hand, arc magmas have to traverse the thick continental crust (>50 km) where they could acquire such geochemical signature. The aim of my work was to analyze the composition of melt inclusions hosted in rare high-forsterite (Fo>80) olivines from high magnesium basaltic andesite and andesite lavas and tephras to assure the study of the most primitive magmas from the Ecuadorian volcanic arc. All melt inclusions were crystalized, therefore, I experimentally heated them to reverse post-entrapment crystallization. After homogenization, I analyzed major, trace and volatile elements in glassy melt inclusions and their compositions were corrected for post-entrapment modifications. At the beginning, I studied olivine-hosted melt inclusions from Puñalica and Sangay volcanoes located in the southern termination of the Andean Northern Volcanic Zone. Sangay and Puñalica melt inclusions were silica-poor and resulted from partial melting of silica-poor lithologies (i.e. amphibole-bearing clinopyroxenes). Also, Puñalica melt inclusions showed high chlorine content (or high Cl/F), a feature linked with the presence under Puñalica volcano of the highly altered oceanic crust associated with Grijalva fracture zone (GFZ). GFZ is an oceanic fracture that separates a young oceanic crust (<25 Ma) to the north from an older oceanic crust to the south (>31 Ma). In the second part, I enlarged the study of olivine-hosted melt inclusion from volcanoes located in Northern Ecuador in order to cover the Ecuadorian volcanic arc from north to south. The analysis of this unique melt inclusions dataset showed an along-arc compositional variation of melt inclusions that could not be explained by crustal assimilation. However, the observed variation indicated the presence of a compositional change of the slab component. The cause of this change was explained by a change of the thermal regime along the subduction zone due to the different age of the slab. Despite the limited occurrence of high-forsterite olivine at the surface, this study shows that the trace element content of the most primitive melts from Ecuador vary considerably and that such variations depend mainly on the composition of the slab component
Les magmas d'arcs héritent leur composition de trois réservoirs: la péridotite du coin mantellique, la croûte et la plaque plongeante. La contribution du manteau et de la plaque plongeante est déterminée par l'étude des magmas primitifs avant qu'ils interagissent fortement avec la croûte. La détermination de la signature de la plaque plongeante est importante car d’une part elle apporte les principales caractéristiques géochimiques des magmas d’arc, et d’autre part, elle peut apporter des contraintes sur le régime thermique présent le long des zones de subduction. Par exemple, les roches volcaniques primitives qui sont enrichies en éléments les plus facilement mobilisés par des fluides (par exemple Ba, Pb, B) sont liées à des zones de subduction « froides » où le composant de la plaque plongeante est censé être un fluide aqueux. Les zones de subduction plus « chaudes » favorisent l'apparition de fluides à température plus élevée ou des liquides silicatés qui sont caractérisés par une signature géochimique enrichie en éléments fluides-immobiles (par exemple La, Th). La signature géochimique du composant de la plaque plongeante (soit un fluide aqueux, soit un liquide silicaté ou plutôt quelque chose entre les deux) est finalement transférée aux magmas d'arcs par le métasomatisme du manteau et la fusion partielle qui s'ensuit. Une partie de la signature des éléments fluides-immobiles des magmas d'arcs peut également être acquise dans la croûte par assimilation de cette dernière, cependant cette caractéristique est généralement observée dans les roches plus évoluées. En Équateur, certaines laves sont enrichies en éléments fluides-immobiles et l'origine de cette signature géochimique demeure discutée. Est-ce qu’elle est transmise par le composant de la plaque plongeante ou acquise dans la croûte continentale ? Les deux scénarios reposent sur les arguments suivants : d'une part, la subduction d'une croûte océanique jeune dans le nord de l'Équateur (<20 Ma) pourrait expliquer l'ajout de fluides à haute température ou coin de manteau. D'autre part, les magmas d'arc doivent traverser l'épaisse croûte continentale (>50 km) où ils pourraient acquérir une telle signature géochimique.L'objectif de mon travail était d'analyser la composition des inclusions vitreuses piègées dans des olivines à haute teneur en forstérite (Fo>80) provenant des laves et téphras de compositions andésite-basaltiques et andesitiques à haute teneur en magnésium. Ce choix permettrait d’assurer l'étude des magmas les plus primitifs de l'arc volcanique équatorien. Toutes les inclusions vitreuses étaient cristallisées, c'est pourquoi je les ai re-homogénéisées expérimentalement pour inverser la cristallisation post-piégeage. Après l’homogénéisation, j'ai analysé les éléments majeurs, traces et volatils dans les inclusions vitreuses et leurs compositions ont été corrigées pour tenir compte des modifications post-piégeage. J’ai tout d’abord étudié les inclusions vitreuses piégées dans des olivines des volcans Puñalica et Sangay, situés dans la terminaison sud de la zone volcanique des Andes du Nord. Les inclusions vitreuses du Sangay et du Puñalica étaient pauvres en silice et résultaient de la fusion partielle de lithologies tels que des clinopyroxènes contenant des amphiboles. De plus, les inclusions de Puñalica présentaient une teneur élevée en chlore (ou Cl/F), une caractéristique liée à la présence sous le volcan Puñalica de la croûte océanique très altérée associée à la zone de fracture de Grijalva (GFZ). La GFZ est une structure océanique qui sépare une croûte océanique jeune (<25 Ma) au nord d'une croûte océanique plus ancienne au sud (>31 Ma).Ensuite, j'ai élargi l'étude des inclusions vitreuses piégées dans des olivines provenant des volcans situés au Nord de l'Équateur afin de couvrir l'arc volcanique équatorien du Nord au Sud. (...)
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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