Déformation dans le manteau partiellement fondu: observations dans des systèmes naturelsNous avons analysé les interactions entre magmas et déformation dans le manteau supérieur par une étude microstructurale détaillée de deux sections de péridotites: un profil long de 100m dans le Moho – zone de transition croûte-manteau (MTZ) de l'Ophiolite d'Oman - et des lherzolites à plagioclase dans le massif de Lanzo (Alpes Occidentales). La section de la MTZ se caractérise par un litage à l'échelle cm à métrique ; les compositions varient de dunites à des gabbros à olivine. Le parallélisme entre le litage et la foliation, des limites de couche diffuses, et l'alignement de lentilles riches en plagioclase d'échelle mm impliquent un litage contrôlé par la déformation. Tous les minéraux majeurs ont des orientations préférentielles des cristaux (ou fabrique), mais la fabrique de l'olivine varie en fonction de la composition de la couche. Les lits avec <70% olivine montrent des fortes concentrations de l'axe [100] parallèle à la linéation (pattern axial-[100]). Les lits avec <50% olivine ont [100] dispersé dans la foliation et une concentration des axes [010] autours d'une direction normale à cette dernière (fabrique axiale-[010]). Ces changements ont lieu de façon répétée à l'échelle du mm, aux limites de couches, indiquant une déformation en présence de teneurs variables de magma. La fabrique dans les lits riches en olivine est cohérente avec déformation par fluage dislocation à haute température. Les fabriques d'olivine avec une symétrie axiale-[010] dans les lits pauvres en olivine impliquent une transpression ou un glissement le long de limites de grain (010) « lubrifiés » par du magma; elles sont accompagnées par une activité accrue du glissement [001]. Parce que le changement des fabriques d'olivine n'est pas associé à une dispersion de ces dernières, les teneurs instantanées de magma doivent être <30-40%. La variation continue de la symétrie de la fabrique d'olivine CPO avec la décroissance de la teneur en olivine implique que la fabrique dépend de la déformation finie cumulée en présence de magma, plutôt que de la teneur instantanée de magma.Les lherzolites à plagioclase de Lanzo se caractérisent par un réseau anastomosé de bandes riches en plagioclase, qui passe localement à un litage planaire avec des bords diffus. Olivine et orthopyroxene montrent des évidences de déformation par fluage dislocation à haute temperature: extinction onduleuse, sous-grains ou kinks, des limites de grain irréguliers. Le plagioclase forme des agrégats allongés composés par des cristaux avec des formes interstitielles. Tous les minéraux majeurs (à l'exception du clinopyroxene) ont une claire fabrique cristallographique, indépendamment de la composition de la couche. La fabrique de l'olivine CPO a une symétrie orthorhombique, avec [100] parallèle à la linéation et [010] normal à la foliation (et au litage), mais les maxima de [010] sont toujours plus forts que ceux de [100]. Les fabriques d'olivine sont donc intermédiaires entre les deux patterns observés en Oman, ce qui est cohérent avec le litage plus diffus observé à Lanzo. Ces données impliquent que dans un manteau soumis à une déformation cisaillante, les magmas tendent à se concentrer dans des bandes parallèles au plan de cisaillement, formant un réseau anastomosé qui peut évoluer dans un litage planaire. Les fractions instantanées de magma restent faibles (inférieures au seuil pour la disruption de la matrice solide) – la déformation est donc accommodée largement par fluage dislocation. La présence de magmas produit toutefois un changement dans la symétrie des fabriques d'olivine – produisant des patterns axial–[010] et donc dans une anisotropie sismique différente. La ségrégation du magma et le développement d'un litage compositionnel contrôlé par le cisaillement peut aussi créer une anisotropie mécanique, avec une réduction de la viscosité cisaillante parallèlement aux bandes. / Deformation in a shallow partially molten mantle: constraints from natural systemsWe analysed the interactions between melts and deformation in the upper mantle through detailed microstructural studies in two settings: a 100m section in the Moho Transition Zone (MTZ) of the Oman Ophiolite and plagioclase-rich lherzolites from the Lanzo massif (Alps). The MTZ section is characterized by a cm to m-scale layering; compositions range from dunites to gabbros à olivine. Parallelism between the layering and the foliation, diffuse layers limits, and alignment of mm-scale plagioclase-rich lenses in intermediate composition layers imply shear-controlled layering. All phases have crystal-preferred orientations (CPO), but olivine CPO varies depending on the layer composition. Layers with <70% olivine show strong [100] maxima parallel to the lineation (axial-[100] pattern). Layers with <50% olivine have [100] dispersed in the foliation and concentration of [010] normal to it (axial-[010] pattern). These changes occur repeatedly on the mm-scale, at the layers limits, providing strong evidence for deformation in presence of variable melt fractions. CPO in olivine-rich layers is consistent with high-temperature dislocation creep. Axial-[010] olivine CPO patterns imply transpression or sliding along preferentially-wetted (010) grain boundaries in melt-rich layers; they are accompanied by increased activity of [001] glide. Since the change in CPO symmetry is not associated with dispersion, instantaneous melt fractions must have remained <30-40%. The continuous variation in olivine CPO symmetry with decreasing olivine content implies therefore that the CPO depends on the strain cumulated in presence of melt rather than on the instantaneous melt fraction.Plagioclase-rich lherzolites in Lanzo are characterized by an anastomozed network of plagioclase-rich layers, which locally grades into a diffuse cm-scale planar compositional layering. Olivine and orthopyroxene show evidence for deformation by dislocation creep under high temperature conditions: undulose extinction, subgrains or kinks, sutured grain boundaries, but plagioclase forms elongated aggregates of crystals with interstitial shapes. All major phases (except clinopyroxene) show clear CPO, independent of the layer composition. The olivine CPO has an orthorhombic symmetry, with [100] parallel to the lineation and [010] normal to the foliation (and to the layering), but [010] maxima are stronger than [100] ones. These olivine CPO are intermediate between the two patterns observed in the Oman MTZ, consistently with the less developed segregation in Lanzo. Together these data imply that melts tend to concentrate in bands aligned in the shear plane, forming an anastomosed network that may grade with increasing shear into a planar layering. Instantaneous melt fractions remain below the solid matrix disruption threshold; the deformation is still essentially accommodated by dislocation creep in the solid matrix. Deformation in presence of melt results, however, in different olivine CPO with axial–[010] patterns and hence in a different seismic anisotropy. Shear-controlled compositional layering may also create a mechanical anisotropy, with a directional reduction of the shear viscosity parallel to the bands.

La croute océanique formée aux dorsales lentes a une composition hétérogène. Pour expliquer sa formation, il est nécessaire d’invoquer des processus d’interactions magma-roche. Afin de contraindre la contribution des processus de cristallisation et d’interaction magma-roche sur le budget géochimique et l’architecture de la croute océanique hétérogène, j’ai étudié deux séquences gabbroiques échantillonnées in situ à l’Atlantis Massif (AM, 30°N, Dorsale Médio-Atlantique, MAR) et l’Atlantis Bank (AB, 57°E, Dorsale Sud-Ouest Indienne, SWIR). J’ai effectué (i) une étude multi-échelle pétro-structurale et géochimique, combinée à une modélisation numérique, de gabbros primitifs forés à l’AM, et (ii) une étude pétrographique et géochimique de gabbros à olivines forés à l’AB. La croute océanique inférieure hétérogène échantillonnée au Site U1309 (AM) présente des troctolites riches en olivines (Ol-T). Elles se distinguent par des olivines partiellement dissoutes, relativement riches en Fo et en Ni, ainsi que par la co-précipitation de clinopyroxènes riches en Mg et de plagioclases. Ces caractéristiques suggèrent que les Ol-T sont le résultat de l’imprégnation d’un protolithe riche en olivines par un magma sous-saturé en olivine. Les profils géochimiques plats entre les minéraux adjacents suggèrent que la composition du protolithe a été modifiée par le magma entrant. Pourtant, le Ni, Li et Co montrent des compositions extrêmement variables à Mg# de l’olivine constant, ce qui suggère qu’ils préservent la signature géochimique du protolithe. La modélisation géochimique indique que ces variations sont héritées d’une hétérogénéité dans les harzburgites U1309. Les expériences en laboratoire ont démontré que la distribution de magma en milieux poreux est contrôlée par la composition modale de la roche percolée. La distribution hétérogène d’orthopyroxène dans le protolithe mantellique contrôle la quantité de magma entrant, et ainsi la quantité d’olivine dissoute, comme indiqué par les variations modales et compositionnelles observées dans les Ol-T à l’AM. La modélisation géochimique indique que la formation des Ol-T peut être expliquée par la percolation de magma et l’assimilation de 5% de protolithe mantellique. Une conséquence de ce processus de réaction est le décalage des compositions du magma à l’AM vers de cristallisation fractionnée apparentes à haute pression. Pourtant, aucune signature géochimique de haute pression n’est observée dans les MORBs à l’AM, alors qu’elles sont observées dans les MORBs d’une portion amagmatique de la SWIR (61°-67°E). La croute océanique à l’AB est faite de gabbros à olivines (75%) et de gabbros à oxides (20%), et par endroits intensément déformée. Les études préliminaires ont mis en évidence des textures indiquant l’assimilation de plagioclase par un magma d’imprégnation, ainsi que la cristallisation de clinopyroxène. Les gabbros à olivines montrent des compositions relativement évoluées. Des études précédentes des gabbros à olivines de l’AB ont montré que leur formation peut être attribuée à l’assimilation de la croute océanique par un magma saturé en clinopyroxène. Les études de l’AM et de l’AB révèlent des processus d’interactions magma-roche associés au transport de magma dans la croute océanique inférieure. Des caractéristiques texturales et géochimiques similaires ont été documentées à Kane (24°N, MAR) et dans les ophiolites Alpines-Apennines. Elles indiquent que les interactions magma-roche sont omniprésentes et contribuent à façonner la croute océanique inférieure aux dorsales lentes. L’étude de roches gabbroiques forées à Hess Deep suggèrent que les interactions magma-roche interviennent également aux dorsales rapides. Le transport réactif de magma dans la croute océanique joue un rôle majeur dans le processus de formation de la croute océanique dans son ensemble. Leur contribution dans la composition des MORBs est probablement contrôlée par la production de magma durant la remontée mantellique. / At slow-spreading mid-ocean ridges the lower oceanic crust is extremely heterogeneous, and its formation must be related to some extents of melt-rock interactions. To constrain the relative contribution of crystallization processes and melt-rock interactions on the geochemical budget and architecture of the slow-spread oceanic crust, I investigated two gabbroic sequences sampled in situ at the Atlantis Massif (AM, 30°N, Mid-Atlantic Ridge, MAR) and the Atlantis Bank (AB, 32°S, 57°E, Southwest Indian Ridge, SWIR), where gabbros are exposed by long-lived detachment faults. I performed (i) a multi-scale petro-structural, geochemical and numerical modeling study of primitive gabbroic rocks drilled at the AM, and (ii) a petrographic and geochemical study of olivine gabbros recovered at the AB. AM was drilled during IODP Expeditions 304/305. The heterogeneous lower oceanic crust recovered at Site U1309 presents discrete intervals of olivine-rich troctolites (Ol-T). They are distinguished by partially dissolved olivines with relatively high Fo (86) and Ni contents (>2000 ppm), and they are characterized by the co-precipitation of high Mg# (86-88) clinopyroxene and plagioclase. These characteristics suggest that Ol-T result from impregnation of an olivine-rich protolith by a melt undersaturated in olivine. The flat geochemical profiles across olivine and adjacent minerals suggest that the composition of the protolith was modified by this impregnating melt. Yet, Ni, Li and Co display extremely variable compositions at constant olivine Mg#, suggesting that they retain the signature of the precursor material. Modeling indicates that these chemical variations are likely inherited from the U1309D harzburgites. Experiments show that the melt distribution and paths in a porous media is controlled by the mineral modes of the host rock. The heterogeneous distribution of orthopyroxene in the precursor harzburgitic mantle locally drives the abundance of impregnating melt, leading to different extents of olivine dissolution, as evidenced by variations in mineral modes and chemistry of the AM Ol-T. Geochemical modeling indicates that the melt percolation and assimilation of about 5% of a mantle protolith can explain the formation of the Ol-T. One consequence of this reactive process in Hole U1309D is the shift of melt compositions toward apparent high pressure fractionation. However, no high pressure chemical signature is observed in MORBs from the AM, while it is recorded in MORBs from the nearly amagmatic region along the SWIR (61°-67°E). AB was drilled during IODP Expedition 360. The recovered lower oceanic crust is dominated by olivine gabbros (75%) and oxide gabbros (20%). The section is in places intensively deformed. Shipboard studies have documented textures of plagioclase assimilation by an invading melt crystallizing clinopyroxene. Compositions of olivine gabbros reach relatively evolved signature (Yb = 3-10 x C1-chondrite; MORB Yb = 19). Previous studies on olivine gabbros from AB showed that their formation can be ascribed to assimilation of an oceanic crust by clinopyroxene-saturated trace element enriched melts. The study of AM and AB reveals melt-rock interactions and mineral assimilation associated to melt transport through the accreting lower oceanic crust. Similar textural and chemical features are observed at Kane (24°N, MAR) and in ophiolite complexes (e.g., Alpine and Appennine ophiolites). These evidences indicate that melt-rock interactions are probably ubiquitous, and contribute to shaping the slow-spread lower oceanic crust. The characterization of gabbroic rocks drilled at Hess Deep suggests that melt-rock interactions may take place also at fast-spreading ridge. Melt transport and associated mineral assimilation processes likely play a major role in the building of the oceanic crust overall. Their contribution to the formation of MORB is likely controlled by melt productivity in the upwelling mantle.

Depuis une vingtaine d'années, la connaissance de la variabilité chimique et pétrographique des laves formées en contexte d'accrétion océanique (MORB) s'est considérablement approfondie. Il est ainsi apparu que le manteau supérieur sub-océanique est beaucoup plus hétérogène que ne le laissait penser la relative homogénéité chimique des MORB. Ainsi, le manteau contient une fraction significative de pyroxénites qui pourraient jouer un rôle important dans la production des basaltes. De même, l'importance des interactions entre les magmas en cours d'ascension et leur encaissant péridotitique a longtemps été sous-estimée. Le transport des magmas basaltiques dans des chenaux dunitiques de haute perméabilité formés par la focalisation des magmas en profondeur est le mécanisme généralement proposé sous les rides médio-océaniques, mais l'ampleur des transformations chimiques subies par les magmas au cours ce processus est encore peu connue. J'ai réalisé des expériences en piston-cylindre entre 0.5 et 2.5 GPa pour caractériser les relations de fusion et les compositions de liquide de trois pyroxénites et pour quantifier les effets des interactions magma/péridotite. La technique d'extraction des liquides par microdike a été utilisée pour obtenir des analyses de verre fiables même à de très faibles degrés de fusion. L'objectif était d'apporter des réponses à trois problèmes importants de la pétrogenèse des MORB : Quel est le rôle des pyroxénites sur la composition en éléments majeurs des MORB ? Quel est le sort des liquides pyroxénitiques durant leur passage à travers le manteau péridotitique ? Quelles sont les transformations induites par la focalisation des magmas et les interactions magma/roche sur la composition chimique des liquides et sur la chimie et la minéralogie de l'encaissant péridotitique ? Les données acquises au cours de cette thèse constituent une base de données importante sur les relations de fusion des pyroxénites et sur les compositions des liquides issus des pyroxénites, en particulier les compositions aux faibles degrés de fusion. Les expériences de fusion partielle menées sur trois pyroxénites représentatives de la variabilité compositionnelle mondiale montrent que, à 1 et 1.5 GPa, la plupart des liquides issus des pyroxénites présentent des compositions en éléments majeurs très similaires à celles des liquides péridotitiques. Ces liquides sont susceptibles de remonter à la surface en interagissant peu ou pas avec le manteau environnant. A plus haute pression, les interactions entre les liquides issus des pyroxénites et le manteau péridotitique subsolidus aboutissent au contraire à une consommation substantielle des liquides et à une forte cristallisation de clinopyroxènes susceptibles d'isoler les pyroxénites de leur encaissant et de créer de nouvelles hétérogénéités lithologiques dans le manteau supérieur. Par conséquent, la fusion partielle des pyroxénites peut avoir des effets significatifs sur la composition minéralogique et chimique du manteau et sur les dynamiques d'extraction et de transport des magmas. Au contraire, dans la plupart des cas, la contribution de liquides issus des pyroxénites n'entraîne pas de changement majeur dans les compositions des magmas basaltiques primitifs. Plus rarement, les pyroxénites produisent des liquides anormalement pauvres en silice et riches en fer dont on retrouve peut-être la signature dans une classe de MORB primitifs avec FeO > 8.5 % et SiO2 < 48.7 % pds. Enfin, les expériences simulant le processus de focalisation des magmas sous les rides médioocéaniques confirment que la focalisation peut expliquer à la fois la formation de chenaux dunitiques et la composition des MORB primitif, en particulier leur sous-saturation en orthopyroxènes.