Melt migration and dunite formation in the mantle section of the Oman ophiolite
Migration des liquides de fusion et formation des dunites dans le manteau de l’ophiolite d’Oman
Résumé
Mid-ocean ridges are the formation sites of ocean lithosphere covering two-thirds of the Earth's surface. Yet, melt transport to the ridge remains poorly understood. Ophiolites, segments of oceanic lithosphere thrust onto the continents, are ideal sites for studying mantle processes beneath ridges. They contain dunitic bodies, formed by interaction of the host peridotite with basaltic liquid causing pyroxene dissolution coupled with olivine precipitation. Using the example of the southeastern Oman ophiolite, this thesis explored the relationship between dunite distribution and melt transport to the ridge. The combination of structural observations with geochemical data on dunites and their host harzburgites allowed identification of three dunite types: (1) dunites of the Moho Transition Zone (MTZ), located immediately below the crust, (2) dunite veins and bands, scattered throughout the main mantle section, and (3) abundant dunitic bands in the banded unit at the ophiolite base. Our geochemical work focused on osmium (Os) isotopes, which are particularly suited for tracing melt flow through mantle peridotites. We found that harzburgites have fairly homogeneous compositions, similar to abyssal peridotite values, throughout the whole mantle section. In contrast, dunite compositions vary systematically with structural context. Basal dunites have highly residual character (e.g. high Mg#), and Os isotopic compositions equivalent to those of their host harzburgites, implying formation from these harzburgites by interaction with only small melt fractions. Dunites of the main mantle section have more radiogenic Os compositions, differing from those of adjacent harzburgites, suggesting more extensive melt interaction. MTZ dunites have interacted with large melt quantities, leading to low Os concentrations coupled with very high 187Os/188Os ratios, exceeding those of MORB. Modeling melt percolation through a dunite channel demonstrated that this transport mode cannot deliver melts with Os compositions equivalent to those of MTZ dunites and the overlying lower crust. This thesis works conclude that melt migration, from the mantle source to the Moho, occurred without equilibration with dunite or harzburgite, and was therefore rapid, or at least chemically isolated.
Les rides médio-océaniques sont les sites de formation de la lithosphère océanique, qui recouvre les deux tiers de la surface terrestre. Le transport des liquides de fusion jusqu’à la ride reste encore peu compris. Les ophiolites, segments de lithosphère océanique obductés sur les continents, sont des sites idéaux pour étudier les processus mantelliques sous les dorsales. Elles contiennent des corps dunitiques, formés lors de l’interaction de la péridotite encaissante avec un liquide basaltique, entraînant la dissolution des pyroxènes et la précipitation d'olivine. Par l’utilisation de la région sud-est de l'ophiolite d'Oman comme cas d’étude, cette thèse a exploré la relation entre la distribution de la dunite et le transport des liquides vers la ride. La combinaison d'observations structurales et de données géochimiques sur les dunites et leurs harzburgites adjacentes a permis d'identifier trois types de dunite: (1) les dunites de la zone de transition du Moho (MTZ), situées immédiatement sous la croûte, (2) les veines et bandes de dunite, dispersées dans la section mantellique principale, et (3) d'abondantes bandes dunitiques dans l'unité litée à la base de l'ophiolite. Nos travaux géochimiques se sont concentrés sur les isotopes de l'osmium (Os), qui sont particulièrement adaptés au traçage de la migration de liquides à travers des péridotites mantelliques. Nous avons constaté que les harzburgites ont des compositions assez homogènes, similaires aux valeurs des péridotites abyssales, tout le long de la section mantellique. En revanche, les compositions des dunites varient systématiquement avec le contexte structural. Les dunites basales ont un caractère hautement résiduel (par exemple, un Mg# élevé) et des compositions isotopiques en Os équivalentes à celles de leurs harzburgites encaissantes, impliquant leur formation par l’interaction de ces harzburgites avec seulement de petites fractions de liquides. Les dunites de la section mantellique principale ont des compositions en Os plus radiogéniques, distinctes de celles des harzburgites adjacentes, suggérant une interaction avec des liquides plus importante. Les dunites de la MTZ ont interagi avec de grandes quantités de liquides, conduisant à de faibles concentrations en Os couplées à des rapports 187Os/188Os très élevés, dépassant ceux des MORB. La modélisation de la percolation de liquides à travers un chenal de dunite a démontré que ce mode de transport ne peut fournir des liquides avec des compositions en Os équivalentes à celles des dunites de la MTZ et de la croûte inférieure sus-jacente. Les travaux de cette thèse concluent à une migration des liquides, de leur source mantellique vers le Moho, produite sans équilibration avec la dunite ou la harzburgite, et par conséquent rapide, ou du moins isolée chimiquement.
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