Lawsonite in metasediments located at the base of seismogenic zone: geochemestry, fluids pathways and lengthscales and implications on deformation within the Schistes Lustrés
La lawsonite dans les métasédiments en base de zone sismogénique : géochimie, échelles de migration des fluides et rôle de la déformation dans les Schistes Lustrés
Résumé
In subduction zones, the migration of fluids derived from the dehydration of metasediments has important consequences on the mechanic properties of rocks, hence on seismicity. Geophysical imaging of the velocity of pressure and shear waves shows that fluids are present in large quantities and migrating in the 30-40 km depth range. This range corresponds to the depth at which slow slip events are supposed to take place, and it is currently assumed that fluids play a large part in the onset of these slow slip events. Deformation mechanisms accompanying slow slip events are still debated, as well as the exact role of fluids which remain enigmatic in their source, origin, volumetric importance together with the scale and the mode of their migration.
To better understand how such fluids migrate in subducted metasediments and refine the budget of fluids in this context (from ~150°C-0.3 GPa to 350°C-1.2 GPa), we have studied subunits of the Schistes Lustrés Complex of the Western Alps.
Lawsonite (ideally CaAl2Si2O7(OH)4.H2O) is ubiquitous in these rocks, in the schistose matrix as well as in metamorphic veins, attesting to fluid-rock interactions at depth. Lawsonite, a highly hydrated mineral (~12wt.% H2O) is of particular interest as it is known to play a key role in recycling fluids to mantle depths for it is stable up tu ultra-high pressures.
Yet the formation of large amounts of lawsonite in subducted pelagic sediments – where pelitic and carbonated horizons alternate – is unexplained and lawsonite-forming reactions are poorly documented. In particular, the need for large amounts of calcium sourced from carbonated horizons led some authors to suggest ample decarbonation, allowing for export of carbon, a major constituent of these rocks.
This study aims first at defining which reactions allowed lawsonite crystallization to shed light on element transfer at depth. The petrologic study allowed distinguishing several types of lawsonite based on textural, micro-structural and morphologic criteria. The vast majority of the lawsonite crystals show textural equilibrium with ankerite, and the following reaction is proposed: chlorite + kaolinite + aragonite = lawsonite + ankerite + quartz + H2O. This reaction shows zero net export of carbon during lawsonite crystallization. Thermodynamic modelling suggests lawsonite crystallization initiates early during the metamorphic history of the Schistes Lustrés (~13 km depth) and is on-going the metamorphic peak, due to sluggish kinetics and the apparition of additional yet subordinate reactions.
A detailed geochemical study of the lawsonite types has been carried out in this study. Results highlight the differences in fluid-rock interactions and their time evolution. The earliest, most abundant lawsonite type shows closed-system crystallization with small equilibrium length-scales (micro- to millimetres) whereas later lawsonite types indicate system opening with increased fluid mobility and element transfer via advection.
Observations concur to showing progressive system opening in the Schistes Lustrés via increased fluid mobility. This took place increment by increment as shown by textural and compositional analysis, such as strontium-rich lawsonite overgrowths. Scales of fluid mobilization remain uncertain and analysis of strontium isotopic ratios will help further constraining the source of fluids and their interactions with the host rock.
La circulation des fluides issus des réactions de déshydratation, intenses dans les métasédiments, a des conséquences majeures sur les propriétés rhéologiques des roches, tout particulièrement dans les zones de subduction, à l'interface entre les plaques. Les méthodes géophysiques y suggèrent la présence, au travers des vitesses des ondes sismiques (Vp/Vs) notamment, de fortes concentrations de fluides entre 30 et 40 km sous la surface. C’est également dans cette gamme de profondeur que de nouveaux types de séismes ont été décrits au début des années 2000 : les séismes lents, pour lesquels il est admis que les fluides jouent un rôle important mais dont le déclenchement, les mécanismes de déformations associés, de même que la source des fluides, leur origine, leur volume et l’échelle et le mode de leur circulation demeurent débattus.
Pour améliorer les bilans de production de fluides dans ces gammes de pression – température (de 150 à 350 °C, de 0.3 à 1.2 GPa) et affiner la compréhension de la migration des fluides dans ces roches, nous avons recours à un analogue de terrain maintenant à l’affleurement : le complexe des Schistes Lustrés alpins. La présence ubiquiste de lawsonite dans ces métasédiments, dans la matrice et dans différentes générations de veines, localement en grande abondance, y témoigne d’intenses interactions fluides-roches en profondeur. La lawsonite est d'autant plus importante que ce minéral hydraté (~12 % poids de H2O; de formule théorique CaAl2Si2O7(OH)4.H2O) est aussi connu pour jouer un rôle important dans le recyclage des fluides en contexte de subduction, jusqu’aux conditions de ultra-haute pression (>300 km).
La formation d'une telle quantité de lawsonite dans les sédiments pélagiques (alternances de bancs pélitiques et de bancs carbonatés) est toutefois difficile à expliquer et les réactions permettant sa formation sont encore peu documentées. En particulier, la nécessité d’un apport en Ca pour sa cristallisation amène certains auteurs à suggérer la décarbonatation des horizons calcaires, ce qui semble en désaccord avec les observations de terrain et a des implications fortes pour la dynamique du carbone présent en quantités importantes dans ces roches.
Dans un premier temps, cette thèse vise à mieux contraindre les réactions de formation de la lawsonite afin de clarifier les échanges de matières effectifs en profondeur. L’étude pétrologique révèle la présence de plusieurs types de lawsonite sur des critères texturaux, micro-structuraux et morphologiques. La majorité des lawsonites observées sur le terrain montre des textures de co-cristallisation avec l’ankérite, et la réaction de formation suivante a été identifiée : chlorite + kaolinite + aragonite = lawsonite + ankérite + quartz + H2O. Cette réaction indique que la formation de lawsonite ne constitue pas une source de carbone, son bilan net étant nul. La modélisation thermodynamique de cette réaction l’identifie comme précoce dans l’enfouissement des Schistes Lustrés (s’initiant vers environ 13 km de profondeur). La cristallisation de lawsonite dans ces roches apparaît toutefois étendue dans le temps et se prolongeant jusqu’au pic métamorphique, du fait du délai cinétique de cette réaction et de l’apparition de réactions additionnelles.
Dans un deuxième temps, une étude géochimique fine des éléments traces réalisée sur les différents types de lawsonite rencontrés sur le terrain permet de mettre en évidence deux comportements très différents en terme d’interactions fluides-roches. Si la première génération (LwsA) témoigne d’une cristallisation en système fermé (échelle micro- à millimétrique), la deuxième génération (LwsB) atteste au contraire de la remobilisation de fluides dans un système plus ouvert (échelle métrique à hectométrique).
Les observations faites dans cette étude mettent en évidence une ouverture progressive du système que représente les Schistes Lustrés, en terme de circulation de fluides. Cette ouverture se fait de manière incrémentale comme en témoignent les textures et les surcroissances des lawsonites, enrichies en Sr. Les échelles sur lesquelles sont remobilisés les fluides sont encore incertaines et l'étude en cours sur les rapports isotopiques du strontium apportera des éléments de réponses pour mieux contraindre la migration de ces fluides.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)