Thèse soutenue par Arnaud DEVOIR, le 2 octobre 2020, Institut des sciences de la Terre (ISTE)
Les roches métamorphiques et magmatiques sont les composantes majeures de la croûte continentale terrestre. Parmi ces roches figure un minéral, le grenat d’un intérêt tout particulier, en ce sens, où sa composition chimique varie en fonction des conditions de pression et température à laquelle il se forme. Ce minéral rouge et de morphologie proche d’une sphère intègre aussi de nombreux éléments à l’état de trace (ppm, partie par million). En utilisant les propriétés spécifiques de chacun de ces éléments et notamment leur mobilité au sein du minéral, il est possible de déchiffrer, entre autres, les enregistrements de sa température, pression, chimie de roches environnantes, son temps de résidence à certaines températures et ses origines, s’il a été déplacé après sa cristallisation.
La zone d’Ivrea-Verbano, en Italie du Nord, est une section de la croûte inférieure d’âge Permien, environ 290 Ma, qui a été basculée à 90° et exhumée lors de la collision alpine, il y a environ 40 Ma. Elle constitue un laboratoire naturel unique au monde permettant de se déplacer au sein de la croûte inférieure à la surface terrestre.
Elle est constituée de roches métamorphiques ayant subi des conditions de 700 °C – 7 Kbar (~ 21 km) à 950 °C – 10 Kbar (~ 30 km) ainsi que d’un complexe magmatique de roche pauvre en Silice (gabbros) dont nombres contiennent du grenat. Le pluton granitique de Borgosesia riche en silice ayant cristallisé à des profondeurs beaucoup plus superficielles (3 Kbar, ~ 9 km) est le résultat de l’évolution et de l’interaction du complexe magmatique et des roches métamorphiques environnantes. Une caldera fossile d’environ 13 km de diamètre est associée au complexe magmatique, appelé le Supervolcan de Sesia. Un équivalent actuel est le Supervolcan de Yellowstone.
Cette thèse est le résultat de l’observation et de l’analyse de la microchimie à l’échelle du microns (10-6 m) à haute précision (sub ppm). Il a été possible de mettre en évidence que les grenats présents dans le pluton granitique ont une origine multiple avec un coeur métamorphique et une couronne de surcroissance magmatique. Ces surcroissances et la composition en Zirconium du granite montrent une mise en place du magma au cours, au minimum, de deux pulses de magma de température de 820 ± 10 °C et 780 ± 10 °C.
Les variations de compositions du grenat entre le coeur et ces surcroissances ont été modélisées numériquement et fournissent des informations sur la durée de persistance de ces températures de respectivement 7400 et 5800 ans suivi par une vitesse de refroidissement initial de 0.64 °C par millier d’année.
Parallèlement, des blocs de roches métamorphiques appelés enclaves sont présents dans ce granite et contiennent eux aussi des grenats. Ils ont préservé un enregistrement de leurs conditions de croissance métamorphique, régionale pour leur coeur et induit par le magma dans leur surcroissance. Le coeur s’est formé à environ 6.8 ± 1.2 Kbar (~ 20.4 km) et 715 ± 43 °C. La comparaison de la chimie des terres rares de ces grenats avec les grenats que l’on trouve dans les roches métamorphiques environnantes ont confirmé ces résultats.
De manière similaire, le coeur du grenat présent dans le granite a probablement une origine plus profonde proche de 9 – 11 Kbar (~ 30 km). La modélisation de la variation de composition des grenats des enclaves indique des durées similaires à celles obtenues pour les grenats du granite, 1000 à 6200 ans à 820 °C. Cela montre que les grenats peuvent cristalliser en profondeur (~ 20 à 30 Km) avant d’être entrainé et de survivre par un magma riche en silice à haute température jusqu’à des faibles profondeurs (~ 9 km). Cette étude démontre aussi la courte durée des processus de mise en place du pluton granitique à l’échelle des temps géologiques. Ces dynamiques de mise en place en de court pulses magmatiques sont de plus en plus observées à la fois dans la zone d’Ivrea- Verbano et ailleurs sur terre par des études et méthodes indépendantes.
La mise en évidence de ces dynamiques et de ces fortes interactions entre roche métamorphiques et roches magmatiques en contexte de haute température fournissent une aide précieuse à la compréhension des phénomènes volcaniques associés. De même aux dynamiques d’éruptions volcaniques de type explosives dans de grandes calderas similaires à la caldera de Yellowstone qui constituent un risque majeur de la région. La compréhension de ces phénomènes accroit les capacités humaines à prédire des éruptions potentiellement dangereuses et catastrophiques.
