Ce travail est consacré aux études cinétiques et thermodynamique des processus qui produisent les magmas basaltiques (basalte de dorsale océanique ou MORB et basalte de l'île océaniques ou OIB) dans la lithosphère, notamment lors de l'interaction du magma avec la lithosphère serpentinisée. Dans ce travail, nous avons testé l'hypothèse selon laquelle la genèse des chromitites de la zone de transition entre le manteau et la croute peut être la conséquence de l'interaction du magma basaltique avec le protolite du manteau serpentinisé. Une étude détaillée du corps de chromitites nodulaires dans les dunites hôtes de la région Maqsad de l'ophiolite d'Oman a été réalisée.
Les expériences d'équilibre sur la saturation des liquides basaltiques et haplobasaltiques en chromite et en magnesiochromite comme la fonction de la fugacité d'oxygène (de ∆FMQ (-2) à ∆FMQ (+2)) ont été effectuées à une température constante de 1450 ° C et une pression de 0,1 MPa. Pour la première fois, les concentrations de chrome dans les liquides basaltiques saturés en magnesiochromite ont été mesurées. Ce fait a une implication importante pour l'assimilation du manteau serpentinisé par des magmas basaltiques. Sur la base de toutes les données disponibles sur la saturation des liquides mafiques et ultramafiques en chromite, nous avons créé un nouveau modèle prévisible de solubilité de chromite et magnéstochromite dans les liquides en fonction de la température, de la fugacité d'oxygène et de la basicité optique du liquid. Des expériences cinétiques sur l'interaction serpentinite-basalte ont été effectuées à des températures entre 1200 et 1300 C et la pression de 0,2 à 1,0 GPa. Les données impliquent que la réaction est contrôlée par un mécanisme à plusieurs étapes: (i) une transformation métamorphique prograde de la serpentinite en harzdurgite (Fo92-95 mol. %) à spinelles riches en Cr (ii) la dissolution progressive de l'assemblage de harzburgite avec la formation des liquides basaltique à andésitique et (iii) l'assimilation finale de l'association de harzburgite par le basalte avec la formation du liquide basique hydraté appauvri (‘depleted’ et enrichi en Mg, Cr) à 0,5 - 1,0 GPa (51% pds de SiO2, 12 à 13% pds de MgO). Nous démontrons expérimentalement que l'assimilation de serpentinite par le liquide basaltique à 0,5 - 1,0 GPa se produisant à un taux moyen de 4,3 × 10 -10 m2 / s à 1300 ° C est contrôlée par la diffusion chimique de silice. Notre travail expérimental fournit des preuves incontestables que les liquides basaltiques (appauvris ou ‘depleted’), les cumulâtes enrichies en Mg-Cr et les andésites océaniques peuvent être produits de manière routinière à partir des liquides basaltiques ‘normales’ de dorsales océaniques par une réaction chimique avec le manteau lithosphérique serpentinisée. Notre étude empêche l'interprétation courante des magmas océaniques appauvries et primitives (MORB et OIB) comme uniquement dérivés du manteau profond. Les données obtenues dans ce travail confirment que les serpentinites, qui ont peut-être été des constituants importants de la croûte Hadéenne dans leur ensemble, ont éventuellement été impliqués dans la génération de la première croûte continentale. Nos résultats à 0.2 GPa révèlent la déshydratation de la serpentinite et la libération de fluides aqueux enrichis en Si, Al, Na et K. Les liquides silicatés hydratés (56 à 67 % en poids de SiO2) se forment en réponse à la fusion partielle assistée par ces fluides libérés lors de la déshydratation de la serpentinite. Remarquablement, les liquides produits à 0.2 GPa ont des teneurs en éléments majeurs, Cr et Zr similaires à ceux de la croûte continentale. La deserpentinisation et la fusion de la péridotite à des profondeurs peu profondes de ≤ 7 km fournit ainsi un mécanisme simple pour former la proto-croûte felsique de la Terre à partir d'ingrédients facilement disponibles et qui ne nécessite pas de subduction des plaques.
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This work is devoted to kinetic and thermodynamic investigation of processes happening during basaltic (mid-ocean ridge basalt, MORB and ocean island basalt, OIB) magma genesis and evolution in the lithosphere, in particular, during the magma interaction with the serpentinized lithosphere. In this work, we tested hypothesis that the chromitite genesis at the Moho transition zone may be consequence of interaction of basaltic magma with serpentinized mantle protolith. Detailed field investigation of the nodular chromitites ore body in the host dunite at Maqsad area of the Oman ophiolite has been performed. In the petrologic investigation, we have demonstrated close genetic relationship between the host dunites and the nodular and disseminated chromitites during non-equilibrium crystallization of chromites based on investigation of chromite-hosted inclusions.
Equilibrium experiments on chromite and magnesiochromite saturation in basaltic and haplobasaltic melts as function of oxygen fugacity (from ∆FMQ(-2) to ∆FMQ(+2)) were performed at a constant temperature of 1450 C and pressure of 0.1 MPa. For the first time, chromium concentrations in basaltic melts at magnesiochromite saturation were determined. The Cr contents at magnesiochromitre saturation are from ~6800 ppm at FMQ(-2), ~4500 ppm at FMQ and 3500 ppm at ∆FMQ(+2), that are higher compared to those (~ 6300 ppm at ∆FMQ(-2), 2900 ppm at ∆FMQ and 2000 ppm at ∆FMQ(+2)) of chromite saturation in Fe-bearing system. This fact has an important implication for serpentinized mantle assimilation by basaltic magmas. Based on all available data on chromite saturation in mafic and ultramafic melts, we created a new predictable model of chromite and magnesiochromite solubility depending on temperature, oxygen fugacity and the melt optical basicity.
Kinetic experiments on serpentinite-basalt interaction have been performed at temperatures of 1200 – 1300 C and pressure range from 0.2 to 1.0 GPa. The data imply that the reaction is controlled by multi-stage mechanism: (i) prograde metamorphic transformation of serpentinite to Cr-rich spinel-bearing harzdurgite (Fo92-95 mol.%) (ii) progressive dissolution of harzburgite assemblage with formation of hydrous basaltic to andesite melts and (iii) the final assimilation of the harzburgite association by basalt with formation of hydrous depleted basaltic melts at 0.5 – 1.0 GPa (51 wt% of SiO2, 12 – 13 wt.% of MgO contents). We experimentally demonstrate that serpentinite assimilation by basaltic melt at 0.5 – 1.0 GPa happening at average rate of 4.3 × 10-10 m2/s at 1300°C is controlled by silica diffusion in hydrous basaltic melt. Our experimental work provides incontestable evidence that depleted MORB melts, depleted high-Mg-Cr cumulates, and oceanic andesites can be routinely produced from “normal” mid-ocean ridge melts by chemical reaction with serpentinized lithospheric mantle. Our study prevents routine interpretation of depleted and primitive oceanic melts (MORB and OIB) as uniquely derived from a deep mantle.
The data obtained in this work confirm that serpentinites, which may have been important constituents of the Hadean crust as a whole were possibly involved in the generation of the first continental crust. Our results at 0.2 GPa reveal dehydration of serpentinite and release of Si, Al, Na and K-enriched aqueous fluids. Hydrous silicic melts (56 to 67 wt% SiO2) are found to form in response to the fluid-assisted partial melting of dehydrated serpentinite. Remarkably, the melts produced at 0.2 GPa have major element, Cr and Zr compositions similar to those of the bulk continental crust. Deserpentinization and fluid-assisted melting of peridotite at shallow depths of ≤7 km thus provides a simple mechanism to form the Earth’s silica-rich proto-crust from readily available ingredients and that does not require plate subduction.
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