Contraintes isotopiques sur l'origine du source mantélique et ses conséquences sur les fugacités d'oxygène – SulfOx

Le degré redox des magmas (formellement leur fugacité en oxygène - fO2) joue un rôle fondamental sur le comportement chimique de nombreux éléments. Par exemple, les magmas d'arc, qui représentent les principaux vecteurs de formation de la croûte continentale et sont responsables de la formation de certains gisements, sont nettement plus oxydés (typiquement à FMQ ~ 0 à +1,5) que les magmas tholéiitiques formés au niveau des dorsales médio-océaniques (MOR, proche de FMQ, respectivement c'est-à-dire le tampon Fayalite-Magnétite-Quartz). Par conséquent, les magmas d'arc peuvent dissoudre plus de soufre que les basaltes MOR, leurs quantités modérées de soufre (~ 1000 ppm) reflétant leur saturation en sulfure dans un liquide silicaté réduit.

Malgré leur importance fondamentale et économique, certains aspects clés de l'origine et de la formation des magmas d'arc restent difficiles à cerner, car plusieurs facteurs interdépendants interviennent. Parmi ceux-ci, la détermination de l'état redox des basaltes d'arc et leur évolution en relation avec l'origine et le dégazage du soufre est une question centrale. Cette question n'est pas nouvelle, puisqu'elle a fait l'objet de nombreux articles dans la littérature récente.

Le présent projet, qui associe des techniques de pointe telle que la géochimie isotopique du S (du sulfate et du sulfure co-existant et dissous), des mesures synchrotron de la spéciation du S et de la pétrologie expérimentale et analyse d’échantillons naturels apportera un nouvelle éclairage à ces questions fondamentales.

Comme le montre la spéciation du S et/ou du Fe, les magmas de l'arc et de l'arrière-arc sont plus oxydés et pourraient théoriquement contenir jusqu'à 15 000 ppm, avec une fourchette typique de 5000-7500 ppm.

C'est beaucoup trop pour être dérivé uniquement du manteau appauvri (170-270 ppm S), et le consensus général est donc qu'une partie du soufre dérivé de la plaque subductée contribue au budget de soufre des arcs. Ceci inclut les compositions en isotopes S, les magmas de l'arc étant enrichis en 34S par rapport aux sources de basaltes MOR (typiquement >3‰ et <-1‰ par rapport à la CDT respectivement).

L'hypothèse selon laquelle les basaltes d'arc primitifs sont oxydés (au moment de leur formation, avant la différenciation et avant le dégazage en profondeur) repose toutefois sur deux hypothèses fortes.

La première concerne le dégazage du soufre. Comme l'oxydation de S2- en S6+ nécessite 8 électrons alors que l'oxydation du fer n'en nécessite qu'un, étant donné les quantités plutôt restreintes de Fe3+ (par exemple 0,15 du fer total de 8 % en poids), le dégazage du soufre d'un magma à haute teneur en S changerait l'état redox du magma en le réduisant ou en l'oxydant en fonction de la spéciation initiale du S et des rapports H2S/SO2, deux variables qui restent difficiles à contraindre car les rapports H2S/SO2 dépendent de la pression de dégazage. Le dégazage entraînerait une évolution distincte du 34S/32S en fonction de la fugacité de l'oxygène, c'est-à-dire refléterait les facteurs de fractionnement distincts entre le H2S ou le SO2 et le liquide. Compte tenu du paradoxe de l'excès de soufre (la différence inexpliquée entre les quantités de soufre dégazées à la surface par rapport aux teneurs en soufre des magmas profonds), les quantités initiales de volatiles, la quantité de phases sulfurées préexistantes et l'ampleur du dégazage du S sont essentielles. Etant donné les impacts climatiques à court terme (décennal) contribuant au refroidissement de la température de l'atmosphère globale par la formation d'aérosols sulfatés résultant de l'injection de SO2/H2S dans l'atmosphère par le volcanisme d'arc, contraindre la teneur initiale en S et de la fugacité de l'oxygène est d'une importance primordiale.

Notre projet vise à faire avancer sur ce sujet en étudiant des verres naturels et inclusions vitreuses, en réalisant des expériences de laboratoire qui combineront mesures isotopiques du soufre et spéciati