Altérations de la croûte océanique : conditions physico-chimiques, transformations minéralogiques et bilans chimiques

Abstract

Les interactions eau de mer/croûte océanique entraînent d’importantes transformations minéralogiques et chimiques au niveau des couches 2 et 3 de la croûte océanique et contribuent de ce fait à la régulation de la composition chimique de l’eau de mer. Les modèles actuels relatifs à l’altération de la croûte océanique s’appuient essentiellement sur les études consacrées aux croûtes relativement jeunes. Par ailleurs, les bilans chimiques disponibles ne concernent que la couche 2 superficielle. Par conséquent, nos connaissances sur l’évolution de l’altération et la contribution de différentes parties de la croûte océanique dans les échanges chimiques avec l’océan demeurent incomplètes. Les études pétrographiques et géochimique d’échantillons provenant aussi bien de la couche 2 que de la couche 3 de la croûte océanique ont permis de retracer l’évolution minéralogique et géochimique de la croûte océanique. La quantification des échanges chimiques liés aux différents types d’altérations a permis d’approcher le bilan chimique global des interactions eau de mer/croûte océanique. La plus vielle croûte océanique appartenant à l’océan Pacifique a été forée, dans le cadre du programme ODP « Ocean Drilling Program » aux sites 801 et 1149 (Leg 185). Les roches récupérées du socle des deux sites sont constituées de basaltes de type MORB avec des intercalations de niveaux de brèches et de hyaloclastites. Toutes les roches étudiées ont enregistré les effets d’une succession de stades d’altérations de basse température par l’eau de mer. Parmi les effets de cette altération, citons l’apparition précoce des halos d’altération sombres qui s’étendent de part et d’autre des surfaces exposées entourant les parties internes grises. Trois principaux stades d’altération ont été reconnus : (1) le premier stade est lié à la circulation de l’eau de mer oxydante et riche en K, entraînant la formation de phyllosilicates céladonitiques ± des oxyhydroxydes de fer en remplacement de l’olivine et/ou du verre et en remplissage des espaces ouverts ; (2) le second stade est dû à la circulation de fluides pauvres en K et riches en Fe à l’origine de la formation d’oxyhydroxydes de fer ± iddingsite comme minéraux dominants qui se forment généralement dans les zones adjacentes aux factures remplies partiellement ou complètement par les oxyhydroxydes de fer ; (3) et le dernier stade d’altération résulte de la circulation de solutions froides, anoxiques à réductrices et pauvres en K et Fe à l’origine de la formation de la smectite et la calcite, avec accessoirement du quartz et/ou de la calcédoine, dans les parties internes grises. Les caractéristiques des altérations observées dans les basaltes mésozoïques sont comparables à celle décrites dans les basaltes plus jeunes de la partie supérieure du puits 504B (5.9Ma), à l’exception de la précipitation des carbonates, plus importante dans les basaltes les plus anciens. Ceci suggère que le degré d’altération des roches ne dépend pas de la période pendant laquelle l’altération de basse température a agi, probablement parce que les premiers stades d’altérations sont restreints aux premiers millions d’années après l’accrétion et s’arrête lorsque la croûte océanique est scellée par des minéraux secondaires et la couverture sédimentaire. Par contre, le dernier stade d’altération au cours duquel se sont formés les carbonates peut se prolonger durant une longue période (plusieurs dizaines de millions d’années). Les études pétrographiques et géochimiques des métagabbros océaniques de l’Atlantique équatorial montrent que mis à part le stade tardi-magmatique et le stade tardif d’altération sous-marine, les gabbros océaniques sont affectés par trois principaux stades d’altérations hydrothermales. Les transformations les plus dominantes ont lieu à des températures comprises entre 300 et 650 ̊C, aboutissant à la formation d’assemblages minéralogiques secondaires caractéristiques des faciès schiste vert et/ou amphibolite (hornblende ± actinote ± andésine ± andésine-labrador ± épidote ± titanite ± chlorite). Les transformations réalisées à hautes températures (>600 ̊C) sont communément associées à la déformation ductile ; alors que à des températures plus faibles (<600 ̊C), le régime de déformation prédominant devient de type cassant. Les deux styles de déformation augmentent la perméabilité des roches, favorisant ainsi, la circulation des fluides. Suite aux interactions avec différents fluides, les roches primaires sont altérées par des fluides hydrothermaux dont les compositions isotopiques varient entre celles de l’eau de mer et des basaltes de type MORB. Les altérations dominantes (300-650 ̊C) entraînent un enrichissement des métagabbros en 87Sr plus important que dans d’autres métagabbros océaniques (87Sr/86Sr variant de 0.7029 à 0.7051) couplé à une diminution de δ18O. Les échanges chimiques initiés au cours des interactions eau-roche dépendent du rapport eau/roche, de la composition chimique du protolithe, et de la température d’altération. Les bilans chimiques indiquent que les interactions entre l’eau de mer et les roches de la croûte océanique sont à l’origine de flux chimiques qui peuvent être, pour certains éléments (e.g. Ca et Si), du même ordre de grandeur que les apports des rivières à l’océan. En somme, la croûte océanique subit une hydratation générale et un appauvrissement en Si, Ca et métaux. Le magnésium introduit par l’eau de mer ne semble pas être piégé à la base de la couche 2 comme le stipule les études antérieures, mais dans les métagabbors de la couche 3. Sur le plan isotopique, la croûte océanique altérée est enrichie en ⁸⁷Sr, alors que pour les isotopes de l’oxygène dont le fractionnement dépend de la température, ses échanges sont variables : à basses températures (<250 ̊C) les roches s’enrichissent en 18O, par contre à hautes températures (>250 ̊C), les roches s’appauvrissent en 18O. Ces flux participent, d’une part, au contrôle de la composition chimique de l’eau de mer, et d’autre part, modifient les propriétés physico-chimiques de la croûte océanique. Par ailleurs, les modifications chimiques subies par la vielle croûte océanique doivent être prises en compte lors des calculs des bilans chimiques liés au recyclage de la vieille croûte océanique au niveau des zones de subduction.