Chemical and isotopic composition in Martinique Island, Lesser Antilles
Géochimie de l'île de la Martinique aux Petites Antilles
Résumé
Martinique Island has recorded the most complete history of the Lesser Antilles arc, from 25 Ma to present. The chemical and isotopic heterogeneity of the lavas is very large compared to other islands from the same arc and compared to other intra-oceanic arcs. The aim of this study is to explain the chemical and isotopic variability of Martinique lavas and to constrain the processes that took place during the genesis of volcanic products. We did a detailed geochemical study (major elements, minor elements and Pb, Sr, Nd and Hf isotopic ratios) of samples collected all over Martinique Island. Our geochemical study was coupled to precise dating of the same lavas by the K-Ar method through a collaboration with Aurélie Germa and Xavier Quidelleur from the University of Orsay-Paris XI. Martinique lavas define mixing trends between depleted and enriched end-members. Two significantly different trends can be distinguished, one defined by “old” lavas (between 25 and 7 Ma) and one defined by “recent” lavas (between 5 Ma and present). Both depleted and enriched end-members involved in the source of magmas differ before and after 6 Ma. The change of source most probably occurred when the subduction of an aseismic ridge shifted to the West the northern part of the arc. We evaluate the origin of the crustal signature of Martinique lavas through (a) a mixing model between slab sediments and mantle wedge and (b) a crustal assimilation model in which mantle-derived magmas are contaminated by the arc crust. The crustal-contamination model does not reproduce the trends defined by the Martinique lavas whereas the mixing model succeeds. A comparison between crustal end-members as constrained by the mixing trends, and local subducted sediments indicates that there is no decoupling between Pb, Sr, Nd and Hf implying that sediments are added to the mantle wedge through fusion and not dehydration. The La/Yb ratio is a proxy of the proportion of sediments involved in the genesis of the lavas. It is not governed by the melting degree or the nature of the residual aluminous phase in the mantle, even though lavas are generated by approximately 10% partial melting of a garnet-bearing mantle source. We show that La/Yb defines a spatial gradient in the island, suggesting a geographical gradient of the proportion of sediments.
L'île de la Martinique a connu l'histoire volcanique la plus complète de l'arc des Petites Antilles, de 25 Ma à l'actuel. L'hétérogénéité chimique et isotopique des laves de l'île est très importante non seulement par rapport aux autres îles de l'arc mais aussi par rapport aux autres arcs intra-océaniques. L'objectif de ces travaux est d'expliquer la variabilité géochimique des laves de la Martinique et de caractériser les processus de genèse des produits volcaniques émis sur l'île. Pour cela, nous avons effectué une étude géochimique approfondie (éléments majeurs, éléments traces, rapports isotopiques du Pb, Sr, Nd et Hf) sur des échantillons de laves représentatifs de toute l'histoire volcanique de la Martinique. Grâce à une collaboration avec Aurélie Germa et Xavier Quidelleur de l'université Orsay - Paris XI, l'étude géochimique a été couplée à une datation des laves par méthode K-Ar. Les laves martiniquaises forment des droites et hyperboles de mélanges entre pôles appauvris mantelliques et pôle enrichis crustaux. Il apparaît que deux mélanges distincts sont visibles, un premier mélange est formé par les laves « anciennes » (entre 25 et 7 Ma) et un deuxième mélange est formé par les laves « récentes » (entre 5 Ma et l'actuel). Les pôles mantelliques et les pôles crustaux impliqués dans les sources des magmas ne sont pas les mêmes avant et après 6 Ma. Ce changement de source est probablement lié au passage de la ride asismique qui a décalé la moitié nord de l'arc des Petites Antilles. L'origine de la signature crustale des laves martiniquaises est testée en comparant un modèle de mélange à la source entre des sédiments de la plaque plongeante et le coin mantellique et un modèle d'assimilation de la croûte de l'arc par les magmas mantelliques ascendants. Le modèle d'assimilation intra-crustale ne peut pas reproduire les tendances décrites par les laves alors que le modèle de mélange à la source le fait parfaitement. La comparaison entre les pôles crustaux impliqués dans les mélanges et les sédiments entrants dans la subduction indique qu'il n'y a pas de fractionnement entre le Pb, le Sr, le Nd et l'Hf ce qui implique que les sédiments sont probablement ajoutés à la source par fusion partielle et non par déshydratation. Le rapport La/Yb des laves martiniquaises apparait comme un proxy de la proportion de sédiments dans la source des magmas et non du taux de fusion partielle ou de la nature de la phase alumineuse du manteau bien que la fusion, de l'ordre de 10%, ait lieu dans la zone de stabilité du grenat. Le gradient géographique du rapport La/Yb au sein de l'île traduit donc un gradient géographique de la proportion de sédiments, et montre que la proportion de sédiments dans la source augmente avec l'éloignement à la fosse.