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

Thèse soutenue par Evelyne Tornare, le 28 avril 2017, Institut des sciences de la terre (ISTE)

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 coeurs 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 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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