Séminaire ISTeP - Rémi Coltat

Jeudi 26 octobre 2023, 13h, (en salle Fourcade)

Rémi Coltat (IACT à Grenade en Espagne)

Metal cycling in the oceanic lithosphere mantle: a multi-disciplinary approach

Résumé:

Les dorsales médio-océaniques sont des zones d’échanges thermique et chimique entre la lithosphère océanique et les océans. Aux dorsales à taux d’expansion intermédiaires à ultra-lents (e.g., dorsale médio-Atlantique et Sud-Ouest Indienne), l’exhumation tectonique syn-magmatique des roches profondes du manteau est omniprésente. Ces péridotites sont fortement réactives en présence d’eau de mer tandis que le magmatisme naissant fournit une source de chaleur pour enclencher des circulations hydrothermales produisant une variété d’altérations hydrothermales profondes et de fluides qui s’éventent au plancher où la vie se développe. Notamment, le mélange de fluides hydrothermaux chauds, acides, réduits et riches en métaux avec l’eau de mer froide permet la formation de gisements de sulfures massifs dans les roches ultramafiques exhumées (SMS ; e.g., site hydrothermal de Rainbow sur la dorsale médio-Atlantique). Des systèmes minéralisés similaires dits gisements à sulfures massifs volcanogènes (VMS) se sont formés à différentes périodes géologiques et sont préservés dans les vestiges océaniques affleurant à terre, les ophiolites. Cependant, les transferts de métaux (Fe, Co, Ni, Cu, Zn) qui gouvernent la formation des SMS et VMS en lien avec les processus magmato-hydrothermaux pendant l’exhumation des roches du manteau restent largement inconnus, limitant notre compréhension holistique du cycle des métaux dans le manteau lithosphérique océanique. Ces limites viennent principalement de i) la rareté des forages profonds dans les domaines océaniques dominés par les roches du manteau, ii) la mésinterprétation commune de la genèse des VMS dans les roches du manteau et iii) du partitionnement des études visant tantôt à étudier les processus magmatiques, métamorphiques ou métallogéniques mais rarement avec une portée intégrative.

Dans cette présentation, nous identifierons quels sont les trois piliers fondamentaux du cycle des métaux, c’est-à-dire i) les sources, ii) mécanismes de lessivage et de transport et iii) mécanismes de précipitation et de préservation au plancher océanique ou dans les niveaux structuraux sous-jacents à travers une revue non exhaustive de la littérature. Nous verrons comment des études multidisciplinaires à la fois sur des systèmes actuels et fossiles peuvent nous permettre de mieux contraindre ce triptyque source-transport-dépôt. Enfin, basé sur des résultats récents, je présenterai une étude de cas portée sur les roches du manteau forées dans la zone de Kane sur la dorsale médio-Atlantique, qui couple traçage pétrographique, géochimique et modélisation numérique, pour montrer que nous pouvons apporter des contraintes sur la mobilité des métaux durant les processus magmato-hydrothermaux en lien avec l’exhumation mantellique. Des approches similaires appliquées à d’autres systèmes actuels (e.g., Massif d’Atlantis) et fossiles (e.g., ophiolites de la Tethys alpine, complexe métamorphique de la forêt de Limassol) permettront de mieux contraindre les sources de métaux, processus de lessivage et de transport ainsi que les mécanismes de précipitation et de préservation. Cela fournira un cadre idéal et sans parallèle jusqu’alors pour étudier le cycle des métaux dans le manteau lithosphérique océanique et ainsi contraindre les cycles (bio)géochimiques globaux.

*****

Abstract:

Mid-Ocean Ridges (MORs) are critical zones for thermal and chemical exchanges between the oceanic lithosphere and oceans. Syn-magmatic mantle exhumation is a common tectonic process occurring at intermediate to ultra-slow spreading centers (e.g., Mid-Atlantic Ridge and South West Indian Ridge). There, peridotites that form the oceanic lithosphere mantle are highly reactive in the presence of water, while magmatism provides heat to trigger hydrothermal circulation, leading to various deep-seated hydrothermal alterations and fluids venting at the seafloor that fuel deep-sea life oases. Notably, the mixing of hot, reduced, acidic and metal-rich fluids with cold seawater triggers the formation of ultramafic-hosted seafloor massive sulfides (SMS; e.g., Rainbow hydrothermal field along the Mid-Atlantic Ridge) deposits. Similar mineralized systems also formed through the geological times and are preserved in ophiolites in volcanogenic massive sulfides (VMS) deposits. However, the metal (e.g., Fe, Co, Ni, Cu, Zn) transfers that govern the formation of SMSs and VMSs during the magmato-hydrothermal evolution related to mantle exhumation remain enigmatic, limiting a full integrative view of the metal cycling in the oceanic lithosphere mantle. This mostly comes from i) the scarcity of drill cores in mantle-dominated MOR environments, ii) the common genetic misinterpretation of ultramafic-hosted VMSs and iii) the overall partitioning of scientific studies either investigating magmatic, metamorphic or ore geology processes, but rarely with an integrative view.

In this presentation we will see what are the three fundamental components of the metal cycling, namely i) the metal sources, ii) the mechanisms of metal leaching and transport and iii) the metal precipitation and preservation processes at the (sub)seafloor and how multi-disciplinary studies focus on both present-day and fossil systems can help to constrain these. Based on recent results, I will present a case study performed on drilled mantle rocks of the Mid-Atlantic Ridge Kane (MARK) area, coupling petrographic, geochemical and numerical aims, to show we can bring valuable constraints on metal mobility during magmato-hydrothermal processes related to mantle exhumation. Similar approach applied to other present-day (e.g., Atlantis Massif) and fossil (e.g., Alpine Tethys ophiolites, Limassol Forest Complex) mantle-dominated systems will allow to unravel the metal sources, leaching and transport conditions, and precipitation and preservation processes on the (sub)seafloor. This will provide an unparalleled frame to asses the metal cycling in the oceanic lithosphere mantle, and constrain global (bio)geochemical cycles.