Thèse Etude Pétro-Géochimique des Interactions Magma-Roche dans la Lithosphère Océanique Profonde Exemple de l'Ophiolite de Bay Of Islands Terre-Neuve H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Montpellier
École doctorale : GAIA - Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
Laboratoire de recherche : GM - Géosciences Montpellier
Direction de la thèse : Benoît ILDEFONSE ORCID 0000000176359288
Début de la thèse : 2026-10-01
Date limite de candidature : 2026-05-06T23:59:59

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 : (1) développer une approche quantitative permettant d'extraire des contraintes pétrologiques à partir de données géochimiques issues d'objets naturels complexes ; (2) mettre en oeuvre 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.

La pétrologie magmatique, notamment expérimentale, et la géochimie de haute-température ont depuis plusieurs décennies permis d'établir les concepts fondamentaux qui gouvernent la fusion du manteau par décompression adiabatique (e.g., McKenzie & Bickle, 1988). La température potentielle du manteau, sa composition chimique ainsi que les contraintes tectoniques telles que la vitesse d'expansion océanique y sont les paramètres prépondérants qui contrôlent la variabilité de compositions des laves telles que les basaltes de dorsales océaniques (MORB). Depuis les années 80, notamment sur la base d'observations isotopiques, cette vision incorpore également, bien que partiellement, l'hétérogénéité physico-chimique de la source mantellique des magmas océaniques, conséquence du recyclage crustal par la subduction (Allègre & Turcotte, 1986). Un paradigme a ainsi émergé pour expliquer la géochimie des basaltes, articulé autour de plusieurs hypothèses importantes qui gouvernent la plupart des modèles de genèse des basaltes : symétrie axiale des processus de fusion, équilibre chimique et thermique local, formulation indépendante des fonctions qui décrivent la quantité, la composition et la distribution des liquides de fusion, forte homogénéisation et focalisation de ces liquides à la dorsale. Bien qu'ayant permis l'émergence de concepts de premier ordre pour comprendre le magmatisme océanique (e.g., Langmuir et al., 1992), ces hypothèses ne sont pas entièrement en accord avec les observations naturelles. C'est notamment le cas des observations et données de terrain qui proviennent des ophiolites, véritables laboratoires naturels pour étudier la lithosphère océanique exhumée par le jeu de la tectonique. Certaines de ces hypothèses sont parfois même en contradiction directe avec des travaux expérimentaux et théoriques ; c'est le cas par exemple de la notion d'équilibre chimique local (Qin, 1992, Tilhac et al., 2023). Notre compréhension actuelle de l'origine et de l'évolution de la lithosphère océanique basée sur cette vision paradigmatique du magmatisme océanique est donc largement perfectible. Le rôle potentiellement prépondérant que joue la lithosphère en tant que filtre réactif des produits magmatiques qui atteignent la croûte océanique y est notamment négligé (Bédard, 1993). Il s'agit là de l'enjeu principal de ce projet.

Les observations de terrains et données provenant des ophiolites révèlent que la genèse et la migration des magmas dans la lithosphère océanique dépend d'une combinaison de paramètres tels que le champ de contrainte local et la réactivité des magmas en question, résultant elle-même de la présence d'hétérogénéités lithologiques et chimiques préexistantes (Ceuleneer et al., 2022). Il en résulte une forte variabilité spatio-temporelle dans les interactions magma-roche qui sont notamment gouvernées par des instabilités de percolation réactive (Katz, 2022). Or, les conséquences géochimiques de tels phénomènes ne peuvent pas être prédites par des modèles où la distribution des liquides de fusion est formulée de manière indépendante de la description chimique du système, et donc des relations de phases thermodynamiques (Oliveira et al., 2020). Réconcilier la complexité des observations naturelles avec des modèles conceptuels relativement simples représente donc un enjeu important pour améliorer notre compréhension de la genèse des basaltes et donc l'origine et l´évolution de la lithosphère océanique. Cette tâche requiert un changement de paradigme vers une interprétation des données géochimiques plus cohérente avec la pétrologie (et donc la thermodynamique). C'est dans ce contexte que s'inscrit ce projet, qui contribuera à considérer la variabilité de compositions des roches magmatiques comme l'expression de variations spatio-temporelles dans les conditions physicio-chimiques qui contrôlent les processus pétrologiques, plutôt que comme la simple signature de contextes tectoniques ou d'environnements géodynamiques.

Ce projet consiste en une étude pétro-géochimique des processus d'interaction magma-roche dans le manteau et la croûte profonde de l'ophiolite Ordovicienne (488 Ma) de Bay of Islands (Terre-Neuve), mettant à profit les particularités de cet objet géologique unique (Bédard, 2015 ; Kerr, 2019). Cette ophiolite est en effet caractérisée par deux épisodes magmatiques d'affinités géochimiques distinctes qui permettent un traçage géochimique précis des processus d'interaction magma-roche mis en jeu. Le premier épisode est documenté dans les basaltes, le complexe filonien et les gabbros de la section crustale. Il est d'affinité tholéitique comparable à celle des basaltes dominants aux dorsales océaniques actuelles. Le second épisode est chimiquement comparable au volcanisme boninitique observé dans les zones d'avant-arc en contexte de subduction. Ce magmatisme se matérialise par des sous-plaquages le long de la zone transition croûte-manteau où il se développe au dépend des gabbros tholéitiques profonds (Bédard, 1993). Ces derniers sont progressivement assimilés, formant des lithologies hybrides dont la variabilité latérale reflètent une préservation progressive des gabbros, du SW vers le NE. L'intérêt de l'étude réside dans le traçage qui peut être fait des produits magmatiques boninitiques, notamment grâce à leur appauvrissement caractéristique en titane. Il s'agit là donc d'une opportunité unique de caractériser la variation spatio-temporelle d'interactions magma-roche qui opèrent par ailleurs de manière cryptique dans la lithosphère océanique actuelle (e.g., Ferrando et al., 2018).

A travers cette étude, le projet vise à (1) développer une approche permettant d'obtenir des contraintes quantitatives à partir de données pétro-géochimiques issues d'objets géologiques naturels tels que les ophiolites, et (2) de mettre en oeuvre des modèles numériques dont le degré de complexité permet l'intégration de ces données naturelles. C'est donc à la fois un projet analytique et numérique, dont l'enjeu principal est d'améliorer notre capacité à contraindre les facteurs thermiques, mécaniques et chimiques qui contrôlent le magmatisme mantellique océanique. Il s'inscrit dans une approche de géochimie computationnelle qui met l'accent sur des outils numériques tels que les modèles thermo-mécaniques de transport réactif, dont l'utilisation est particulièrement sous-développée en géochimie de haute-température.

Le projet s'articule autour de 3 composantes principales : pétrologique, géochimique et numérique, chacune caractérisée par un ensemble de méthodes propres conçu afin de mettre à profit les particularités magmatiques de l'ophiolite de Bay of Islands. L'objectif du projet étant de développer une approche permettant de mieux quantifier les processus pétrologiques à partir de données géochimiques, la liste de méthodes présentée ci-dessous n'est ni exhaustive, ni exclusive. Une partie du sujet consistera en effet à affiner le type de données à privilégier pour permettre de passer d'une vision purement naturaliste à une approche, au moins en partie, quantitative.

-La composante pétrologique de ce projet inclut : (1.1) un volet de terrain avec l'étude des relations de terrains, l'acquisition de données structurales et la collecte ciblée d'échantillons pour les analyses en roches totales et mesures géochimiques in-situ ; (1.2) un volet pétrographique avec l'étude pétrographique de lames minces au microscope optique et au miscroscope électronique à balayage (MEB), couplée à l'étude cristallographique par EBSD ; (1.3) un volet d'analyses en éléments majeurs, à la fois de chimie minérale par microsonde électronique (EPMA), et en roches totales par fluorescence X (XRF).

-La composante géochimique inclut : (2.1) un volet d'analyses élémentaires in-situ par ablation-laser ICP-MS afin d'obtenir la composition des principaux minéraux en éléments traces ; (2.2) un volet d'analyses élémentaires en roche totale afin de permettre l'estimation du budget en éléments traces de chaque échantillon ; (2.3) un volet isotopique ciblant les systèmes radiogéniques du Sr, Nd et Hf par spectrométrie de masse multi-collection (MC-ICP-MS). Ces deux derniers volets analytiques requièrent des protocoles de chimie par voie humide en salle blanche (attaques acides, séparations chromatographiques), et potentiellement des protocoles de séparation minérale.

-La composante numérique inclut : (3.1) un volet de modélisation thermodynamique en 0D (PerpleX, MAGEMin) afin de confirmer les hypothèses formulées en termes de relation de phases ; (3.2) un volet de modélisation géochimique qui pourra inclure une gamme variée d'outils numériques en 1D (modèles de diffusion et percolation-diffusion) afin de contraindre les bilans de masse inhérents aux processus d'interaction magma-roche identifiés ; (3.3) un volet de modélisation pétro-géochimique couplée afin de simuler les interactions magma-roche dans le cadre du transport réactif en 1D ou 2D, et ainsi d'obtenir des contraintes thermo-mécaniques.