Deux fois plus d’eau dans les magmas des zones de subduction : les secrets des roches plutonique de Kohistan (Pakistan) – et des Alpes ?

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Othmar Müntener, Institut des sciences de la Terre

Des scientifiques du MIT et Woods Hole Oceanographic Institution ont publié un article dans la revue Nature Geosciences, dans lequel il est démontré que les magmas de profondeur situés dans les zones de subduction contiennent jusqu’à deux fois plus d’eau que ce qui avait été mesuré jusqu’ici. Cette découverte a pu être réalisée grâce à l’analyse d’échantillons de roches plutoniques récoltés par Othmar Müntener (Professeur ordinaire à l’Institut de des sciences de la Terre) et son équipe.

Pourquoi s’intéresser à la teneur en eau des magmas ?

Les magmas ayant la plus haute teneur en eau se trouvent dans les zones de subduction, où l’eau océanique peut être entraînée dans les profondeurs du manteau et se mélanger au fluide magmatique. Dans ces régions, on observe des éruptions volcaniques violentes, car plus le magma est hydraté plus les éruptions sont explosives. L’eau contenue dans ces magmas pourrait également être à l’origine de divers gisements métallifères (cuivre, l’or ou argent) enrichissant les éléments initialement en solution dans les fluides magmatiques. 

La teneur en eau des magmas a été estimée jusqu’ici à environ 4% du poids total. Ce pourcentage semble trop faible pour expliquer ces phénomènes de manière convaincante, et plusieurs modèles décrivant la formation de la croûte terrestre laissent penser que l’eau devrait y être plus abondante. Urann et ses collègues ont émis l’hypothèse que les roches volcaniques étudiées jusqu’ici pour estimer la teneur en eau des magmas sont trop déhydratées (notamment lors de la phase d’éruption), pour que l’on puisse pour reconstituer de manière fiable la composition du magma dans lequel elles se sont formées.

Les roches plutoniques : éléments clés de la découverte

L’objectif de cette recherche a donc été de travailler sur des roches peu dénaturées et n’ayant pas subi de phénomène éruptif. Othmar Müntener et son équipe s’étaient déjà intéressés à de telles roches et avaient mené une expédition en 2007 dans la région du Kohistan (Pakistan) afin d’en observer. Ce site remarquable renferme des roches ayant été formées en profondeur par cristallisation lente, et qui sont remontées à la surface lors de la surrection de l’Himalaya (roches dites plutoniques). Les minéraux qu’elles contiennent et leur composante hydrique représentent des témoins fidèles de la composition du magma profond dans lequel elles ont été formées. Les sites du Pakistan étant devenus difficilement accessibles aux chercheurs européens ou américains, ce sont les échantillons récoltés lors de l’expédition de 2007 qui ont été analysés dans cette étude. Les principaux auteurs de l’article de Nature Geosciences relèvent l’incroyable fraîcheur de ces roches qui ne montrent aucun signe de perturbation évident dans les cristaux qu’elles renferment.

Roches plutoniques utilisées dans l’étude d’Urann et al. : grenats (en rouge) et clinopyroxène et amphibole (en noir)  (photo : O. Müntener)

Résultats et perspectives

L’analyse des échantillons de roches plutoniques a été réalisée par sonde ionique et leur teneur en eau mesurée indirectement après l’établissement de divers standards. Les résultats obtenus indiquent que les magmas dans lesquels ces roches ont été formées renferment une teneur en eau deux fois supérieure à celle estimée jusqu’ici, soit 10 à 12% du poids total. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour l’interprétation de la formation et de la composition de la croûte terrestre. On peut imaginer par exemple, la présence de minerais dans des zones plus profondes que celles identifiées actuellement. De même certaines observations de roches magmatiques dans les Alpes peuvent être expliquées par la présence de roches ayant une teneur en eau élevée (voir encadré).

Les roches plutoniques récoltées par O. Müntener font actuellement l’objet de deux autres projets de recherche.

Dans un article publié en février 2021, Othmar Müntener et ses collègues avaient déjà émis l’hypothèse qu’il devait exister des magmas superhydriques dans les zones de subduction Alpine. Des observations réalisées sur des roches magmatiques des Alpes (notamment dans la région de Adamello, Italie) indiquent la prédominance de roches plutoniques sur les roches volcaniques et donc une activité volcanique réduite au moment de la collision des plaques Adriatique et Eurasie. O. Müntener explique ce volcanisme limité dans la chaine Alpine par un taux de convergence faible entravant la convection dans le coin du manteau. Par conséquence, la libération pulsée des fluides dans la plaque subductant a contrôlé la formation des magmas superhydriques.  La découverte d’une teneur en eau des magmas des zones de subduction nettement supérieure à celle estimée jusqu’ici, vient conforter cette hypothèse.

Référence : O. Müntener, P. Ulmer, J. Blundy : Superhydrous Arc Magmas in the Alpine Context, Elements, Vol 17 – number 1, février 2021 [abstract]

Référence bibliographique

  • B.M. Urann, V.  Le Roux, O.  Jagoutz, O. Müntener et al. High water content of arc magmas recorded in cumulates from subduction zone lower crust. Nat. Geosci. (2022).
    doi.org/10.1038/s41561-022-00947-w

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