Thèse de Médéric Palot | INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE DE PARIS

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Géochimie des isotopes stables

  Thèse de Médéric Palot

La convection mantellique : Contraintes apportées par les isotopes stables du carbone et de l’azote dans les diamants du manteau inférieur
Encadrant (et co-encadrant) : 
Résumé: 

Le diamant constitue un formidable moyen d’échantillonner les parties du manteau terrestre les plus inaccessibles. Les associations minérales contenues dans ces diamants, telles que la majorite, le ferropériclase + la pérovskite magnésienne, calcique et l’ilménite riche en Mn sont reconnues comme provenant respectivement de la zone de transition et du manteau inférieur (Stachel et al., 2000; Kaminsky et al., 2001). L’azote qui est l’impureté majeure du diamant, est potentiellement un bon traceur de la géodynamique mantellique. Les échanges significatifs entre le manteau par dégazage au niveau des rides médio-océaniques (caractérisé par des valeurs négatives en δ15N) et l’atmosphère + croûte par recyclage au niveau des zones de subduction (caractérisées par des valeurs positives en δ15N) peut aboutir à un contraste isotopique en δ15N dans un manteau stratifié.

La grande proportion d’assemblages minéralogiques provenant du manteau inférieur dans les diamants de Juina (Brésil) et Kankan (Guinée) a justifiée l’étude isotopique en C et N de ces échantillons. Les gammes de variations en δ15N entre les diamants du manteau supérieur (MS) et du manteau inférieur (MI) sont semblables à Juina et à Kankan avec des valeurs allant respectivement de -8,8‰ à +3,8‰ et de -39,4‰ à +9,6‰. Les résultats sur ces deux sets suggèrent un large échange de matière au travers de la discontinuité sismique à 660km, ce qui contraste avec l’existence d’un manteau inférieur isolé de tous échanges. La plupart des diamants du manteau inférieur de Juina et Kankan présentent des valeurs isotopiques en N compatibles avec une origine mantellique (i.e. valeurs négatives en δ15N) ce qui contraste avec les valeurs des laves de plumes (i.e. valeur positives en δ15N voir Marty et Dauphas, 2003). Ceci indique que la source de ces deux types d’échantillons est différente. Il a été retrouvé 3 diamants à Kankan dont les valeurs sont aussi basses que -39,4‰. Ces valeurs
isotopiques en δ15N sont les plus basses jamais mesurées dans des échantillons terrestres et sont parfaitement compatibles avec du matériel primordial, et fournissent la preuve que des hétérogénéités sont conservées dans le manteau.


Le mode de remonté des diamants du manteau inférieur fournit des contraintes sur la géodynamique mantellique lorsqu’ils traversent et s’équilibrent avec des zones particulières en δ13C. En effet, il a été trouvé 5 diamants d’origine très profonde zonés en δ13C dont certaines parties présentent des valeurs spécifiques de la zone de transition locale. Il apparaît donc que ces diamants ont dû amorcer leur croissance dans le manteau inférieur et suivant une remonté lente le long des cellules de convection se sont équilibrés dans la zone de transition pour en acquérir les caractéristiques isotopiques.
Les traceurs isotopiques indépendants que sont le C et N sont autant d’évidences en faveur d’une discontinuité sismique à 660km perméable à de larges échanges de matière.
Il a été ensuite modélisé la géodynamique interne de l’azote en utilisant les systématiques N-K-Ar. L’évolution du manteau en δ15N depuis la valeur la plus basse jamais mesurée (i.e. -39,4‰) vers une valeur actuelle de -5±4‰ pour le manteau source des basaltes de rides (manteau convectif) et de -3±2‰ pour le manteau source des laves de plumes (manteau profond) les plus primitives suggère un âge plutôt protérozoïque pour la plupart des diamants. Il en résulte un comportement plutôt incompatible de l’azote et une entre 0,17 et 0,58ppm pour une taille du manteau convectif entre 750 et 1200km. Ceci est un argument supplémentaire en faveur d’une convection mantellique hybride où il existe un réservoir profond dans le manteau mais situé au delà de la discontinuité sismique à 660km en accord avec les résultats sur les gaz rares (He-Ne-Ar) et la tomographie sismique.

Date de soutenance: 
Mercredi 22 Septembre 2010 - 14:00
Jury: 
V. COURTILLOT Professeur (IPGP) Président du jury, P. CARTIGNY Directeur de recherche (Univ. Paris 7-IPGP) Directeur de thèse, B. MARTY Professeur (CRPG Nancy) Rapporteur, J. BLICHERT-TOFT Directeur de recherche (ENS Lyon) Rapporteur, J. BADRO Directeur de recherche (IMPMC) Examinateur, C. FARNETANI Maitre de conférences (Université Paris 7) Examinateur