La géochimie isotopique est un outil remarquable pour tracer les échanges entre la lithosphère subduite et la région du manteau source des magmas d’arc. Les rapports isotopiques d’éléments lourds (par exemple le Pb) ne sont pas modifiés par des processus tels que la fusion ou la déshydratation des roches source du matériel volcanique. De plus, les signatures isotopiques des roches sources peuvent être très contrastées dans la mesure où elles sont de natures très différentes. A titre d’exemple, si le plomb (Pb) contenu dans un sédiment subduit a un rapport 206Pb/204Pb de 20, que le Pb du manteau source a un rapport 206Pb/204Pb de 18 et dans l’hypothèse où le fluide issu du sédiment subduit transfère le Pb jusqu’au manteau source, le Pb contenu dans le magma résultant de la fusion du mélange [manteau+fluide issu du sédiment] aura un rapport 206Pb/204Pb intermédiaire entre celui du manteau (18) et celui du sédiment (20) qui dépendra de la proportion du Pb venant du sédiment et de celui venant du manteau. Ainsi, si l’on connaît la composition isotopique du manteau, du sédiment et de la lave, la proportion de sédiments impliquée dans la genèse de la lave peut être quantifiée.

L’arc des Petites Antilles (Fig. 2) doit son existence à la subduction de la lithosphère océanique Atlantique sous la plaque Caraïbe. Plusieurs éruptions historiques sont recensées dont la tristement célèbre éruption de la Montagne Pelée de 1902 en Martinique qui avait ravagé la ville de St Pierre, ainsi que l’éruption de la Soufrière Hills de Montserrat (Fig. 3) débutée en 1995 et non achevée à l’heure actuelle, qui a entraîné l’évacuation de l’île. L’arc des Petites Antilles est caractérisé par une zonation chimique nord-sud, les laves provenant des îles du sud de l’arc (Martinique à Grenade) ayant généralement des rapports 206Pb/204Pb plus élevés que ceux des laves provenant des îles du nord (Saba à Dominique) (Fig. 4). White et Dupré [2] avaient suggéré que la zonation chimique des laves de l’arc des Petites Antilles reflétait probablement des changements dans la composition des sédiments subduits et impliqués dans la genèse des laves. Cette étude a pour but de tester cette hypothèse en établissant s’il existe ou non des variations de la composition chimique des sédiments entrant en subduction le long de l’arc, et si ces éventuels changements de composition peuvent expliquer les variations chimiques observées au sein des laves.

Figure 2

Figure 3

Figure 4

Une étude géochimique approfondie du flux sédimentaire entrant dans la zone de subduction à différentes latitudes a ainsi été réalisée en se basant sur les isotopes du Pb. L’échantillonnage comprend des carottes de sédiments provenant des campagnes Deep Sea Drilling Project (DSDP) 78A (Site 543) et 14 (Site 144) (Fig. 2). Le site 543 est localisé à la latitude de l’île de la Dominique et les sédiments situés au niveau de ce site sont représentatifs des sédiments subduits sous la partie nord de l’arc des Petites Antilles. Le Site 144, se situe lui dans la partie sud de la région avant arc, à proximité des côtes sud-américaines (Fig. 2).

Les analyses des isotopes du Pb effectuées sur une cinquantaine d’échantillons de sédiments prélevés à différents niveaux dans les deux carottes sont présentées dans la figure 5. Les échantillons du Site 543 présentent des rapports isotopiques du Pb relativement peu variables. Les échantillons du Site 144 présentent des compositions plus extrêmes et peuvent être divisés en deux groupes. Alors que le premier groupe a des valeurs globalement similaires à celles des sédiments du Site 543, avec néanmoins une variabilité légèrement plus importante, un deuxième groupe sort très clairement de la tendance générale (Fig. 5). Ce groupe correspond à une couche sédimentaire de 60 mètres d’épaisseur, âgée d’environ 90 Ma. Ces sédiments sont anormalement riches en matière organique et sont couramment appelés « black shales » ou argiles noires à cause de leur couleur typique liée à l’abondance de la matière organique. Ces black shales se sont déposés au fond des océans lors de grands événements anoxiques océaniques au cours du Crétacé. Lors de ces événements d’anoxie sévère, les conditions réductrices régnant au fond des océans rendent l’uranium (U) insoluble et celui-ci est alors piégé et concentré dans les sédiments riches en matière organique. Les black shales sont ainsi caractérisés par des rapports U/Pb très élevés. Or, les isotopes 206Pb et 207Pb sont respectivement issus de la désintégration radioactive de l’238U et 235U , alors que le 208Pb est issu de la désintégration du 232Th. C’est pourquoi les black shales présentent des rapports 206Pb/204Pb et 207Pb/204Pb beaucoup plus élevés que les autres sédiments alors que les rapports 208Pb/204Pb sont tout à fait comparables (Fig. 5).

Figure 5

Figure 6

Les compositions isotopiques du Pb des sédiments des sites 543 et 144 et celles des laves des Petites Antilles sont comparées dans la figure 6. La composition du manteau supérieur est également indiquée. Dans le cas des îles du Nord (de Saba à la Dominique), les compositions des laves sont intermédiaires entre le manteau et les sédiments (Fig. 6) : les sédiments du Site 543 constituent donc le contaminant approprié. Les calculs de mélange entre le manteau supérieur et les sédiments du Site 543 montrent que moins d’ 1% de sédiment dans le mélange est requis pour reproduire la composition isotopique des laves des îles du Nord. Les sédiments du Site 543 ne permettent pas d’expliquer la composition des laves des îles du Sud (Martinique à Grenade) car leurs rapports isotopiques du Pb sont plus faibles que ceux de certaines de ces laves (Fig. 6). En revanche, les sédiments du Site 144 (localisés dans la partie sud de la région avant arc, Fig. 2), grâce notamment aux black shales, constituent le contaminant requis. Les modèles de mélange entre le manteau appauvri et les sédiments du Site 144 prédisent une contribution de moins de 5% de sédiment dans la genèse des laves des îles du sud de l’arc. Les variations de compositions des laves de l’arc des Petites Antilles peuvent ainsi être expliquées par un changement dans la composition des sédiments subduits du nord vers le sud accompagné d’une augmentation de la contribution des sédiments du nord vers le sud.

[1] Stern, R.J, « Subduction Zones », 2002, Reviews of Geophysics, DOI:10.1029/2001RG000108.

[2] White, W.M. and Dupré, B., « Sediment subduction and magma genesis in the Lesser Antilles : isotopic and trace element constraints », 1986, Journal of Geophysical Research, 91(B6) : 5927-5941.

Thèse intitulée « Composition géochimique des sédiments entrant dans la zone de subduction des Petite Antilles », encadrée par Catherine Chauvel, soutenue le 26 Octobre 2007 au Laboratoire de Géodynamique des Chaînes Alpines (Grenoble).

Crédit Image : Montagne Pelée, Flickr ; Jean&Nathalie sous licence Creative Commons.

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