Etude pétro-géochimique des interactions magma-roche dans la lithosphère océanique profonde: exemple de l'ophiolite de bay of islands (terre-neuve) // petro-geochemical study of melt-rock interaction in the deep oceanic lithosphere: example of the bay of

Topic description

Ce projet de thèse vise à mieux comprendre et quantifier les processus d'interaction magma-roche dans la lithosphère océanique, à partir de l'étude pétro-géochimique détaillée de l'ophiolite de Bay of Islands (Terre-Neuve). Cette ophiolite constitue un laboratoire naturel exceptionnel, car elle enregistre deux épisodes magmatiques successifs de signatures géochimiques contrastées, offrant une opportunité de traçage précis des interactions magma-roche dans le manteau et la croûte profonde.
Le premier épisode correspond à un magmatisme tholéitique de type MORB, representé par les basaltes, le complexe filonien et une majorité des gabbros. Le second épisode est associé à un magmatisme d'affinité boninitique, comparable à celui observé dans les contextes d'avant-arc de subduction. Il se manifeste par des sous-plaquages le long de la transition croûte-manteau, où les magmas réagissent avec les gabbros tholéiitiques profonds, entraînant leur assimilation progressive et la formation de lithologies hybrides. La variabilité latérale de ces produits reflète une préservation croissante des gabbros, du SW vers le NE. L'appauvrissement caractéristique en titane des magmas boninitiques constitue un traceur géochimique clé pour suivre ces interactions, habituellement cryptiques dans la lithosphère océanique actuelle.

A travers cette étude de cas, le projet poursuit deux objectifs majeurs : développer une approche quantitative permettant d'extraire des contraintes pétrologiques à partir de données géochimiques issues d'objets naturels complexes ; mettre en œuvre des modèles numériques de complexité suffisante pour intégrer ces données naturelles. Le projet s'inscrit ainsi dans une démarche de géochimie computationnelle, en mobilisant notamment des modèles thermo-mécaniques de transport réactif, encore peu exploités en géochimie de haute température, afin de mieux contraindre les paramètres thermiques, mécaniques et chimiques du magmatisme mantellique. Sur le plan conceptuel, cette thèse propose de questionner certaines des hypothèses classiques du magmatique océanique (rôle prépondérant de la température potentielle du manteau, équilibre chimique local, rôle passif de la lithosphère). Les observations issues des ophiolites suggèrent en effet que la lithosphère agit comme un filtre réactif, et que la migration des magmas dépend fortement des hétérogénéités lithologiques, du champ de contraintes et d'instabilités de percolation réactive. Le projet ambitionne ainsi de réconcilier la complexité des observations naturelles avec des modèles pétrologiques cohérents avec la thermodynamique, en interprétant la variabilité géochimique comme l'expression de variations spatio-temporelles des conditions physico-chimiques plutôt que comme de simples marqueurs tectoniques.

Méthodologiquement, le projet combine trois volets étroitement articulés : (i) pétrologique, incluant terrain, pétrographie optique et électronique, étude cristallographie et analyses de chimie minérale et en roche totale ; (ii) géochimique, avec analyses en éléments traces in situ et en roches totales, et isotopie Sr-Nd-Hf ; (iii) numérique, reposant sur la modélisation thermodynamique, géochimique et pétro-géochimique couplée, basé notamment sur le transport réactif. Les résultats attendus incluent la caractérisation isotopique et géochimique des magmas boninitiques mis en jeu, la classification systématique des produits magmatiques associés aux sous-plaquage boninitiques, l'identification des modes de migration magmatique (fracturation vs écoulement poreux diffus/chenalisé), et la formulation de modèles pétrogénétiques quantifiés. À une échelle plus globale, ce travail apportera de nouvelles contraintes sur le rôle des magmas boninitiques dans l'évolution de la lithosphère océanique, leur interprétation en tant que marqueur tectonique, et le rôle de la lithosphère océanique dans les cycles géochimiques globaux.
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This PhD project aims to improve our understanding and quantification of melt-rock interaction processes in the oceanic lithosphere, through a detailed petro-geochemical study of the Bay of Islands ophiolite (Newfoundland). This ophiolite constitutes an exceptional natural laboratory, as it records two successive magmatic episodes with contrasting geochemical signatures, offering a unique opportunity to precisely trace melt-rock interaction in the mantle and lower crust. The first episode corresponds to MORB-type tholeiitic magmatism, represented by basalts, the sheeted dyke complex and most gabbros. The second episode has a boninitic affinity comparable to that observed in subduction fore-arc settings. It is expressed by underplating along the crust-mantle transition, where magmas react with deep tholeiitic gabbros, leading to their progressive assimilation and the formation of hybrid lithologies. The lateral variability of these products reflects increasing preservation of gabbros from SW to NE. The characteristic titanium depletion of boninitic magmas constitutes a key geochemical tracer for tracking these interactions, which are usually cryptic in the present-day oceanic lithosphere.

Through this case study, the project pursues two main objectives: to develop a quantitative approach allowing petrological constraints to be extracted from geochemical data derived from complex natural systems; and to implement numerical models of sufficient complexity to integrate these natural data. The project therefore fits within a computational geochemistry framework, notably involving thermo-mechanical reactive transport models, which are still rarely used in high-temperature geochemistry, in order to better constrain the thermal, mechanical, and chemical parameters of mantle magmatism. Conceptually, this thesis proposes to re-examine some of the classical assumptions of oceanic magmatism (the dominant role of mantle potential temperature, local chemical equilibrium, and the passive role of the lithosphere). Observations from ophiolites indeed suggest that the lithosphere acts as a reactive filter, and that magma migration strongly depends on lithological heterogeneities, the stress field, and reactive percolation instabilities. The project thus aims to reconcile the complexity of natural observations with petrological models consistent with thermodynamics, by interpreting geochemical variability as the expression of spatio-temporal variations in physico-chemical conditions rather than as simple tectonic markers.

Methodologically, the project combines three closely integrated components: (i) petrological, including fieldwork, optical and electron petrography, crystallographic studies, mineral chemistry and bulk-rock analyses; (ii) geochemical, with in-situ trace-element analyses and whole-rock geochemistry, as well as Sr-Nd-Hf isotopic analyses; and (iii) numerical, including thermodynamic, geochemical, and coupled petro-geochemical modeling, notably based on reactive transport. Expected results include the isotopic and geochemical characterization of the boninitic magmas involved, the systematic classification of magmatic products associated with boninitic underplating, the identification of magma migration modes (fracturing versus diffuse/channelized porous flow), and the formulation of quantified petrogenetic models. At a broader scale, this work will provide new constraints on the role of boninitic magmas in the evolution of the oceanic lithosphere, their interpretation as tectonic markers, and the role of the oceanic lithosphere in global geochemical cycles.
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Début de la thèse : 01/10/
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