Sources of the alkaline magmatism in the Turkish-Iranian Plateau: a link with the dynamic of stagnant lithospheres within the Mantle Transition Zone
Sources du magmatisme alcaline dans le plateau Turco-Iranien : un lien avec la dynamique des lithosphères stagnantes dans la zone de transition du manteau
Résumé
Continental alkaline lavas are volatile-rich mantle derived magmas erupted either in orogenic setting, close to subduction zones, or in intracontinental setting far away from any active subduction zone. Their genesis involves partial melting of mantle sources either at shallow depths (< 150 km) or either at greater depths (> 150 km) down to the top of the Mantle Transition Zone. In the Turkish-Iranian Plateau, alkaline lavas younger than 80 Ma have geochemical signatures pointing to both types, i.e. subduction-influenced and intraplate (Oceanic Island Basalt-like). Based on SiO2 content and alkalinity index, the lavas can be grouped into three main types, group I, II and II. Groups I and II are ultrapotassic-potassic and sodic alkaline lavas with subduction-influenced and Oceanic Island Basalt-like chemical patterns, respectively whereas group III lavas have a transient composition between high-K calc-alkaline to calc-alkaline series with subduction-influenced chemical patterns. Particularly the Salavat Range, located in NW Iran, is characterised by lavas (flow, pillow structures dykes) displaying an abundant population of zoned clinopyroxene macrocrysts. A combination of mineral chemistry of the zoning patterns with the bulk rock major and trace element features evidence that the different populations of zoned clinopyroxene are representative of melts of group I and/or II. Our synthesis of the most recent available seismic tomography images show the presence of a large set of elliptic, ~100 km size, low velocities bodies, we named “Compaction pockets”, scattered from ~400 km up to ~ 100 km depth. A model is developed showing that the low velocity of the compaction pockets result from the percolation and concentration into large pockets of volatile-rich melt liberated at ~ 410 km depth in the “Big Mantle Wedge”. It is shown to result from interaction of volatile-rich melts with the surrounding mantle at a temperature ~100-200 °C lower than the usual sub-continental mantle adiabat, which eventually results in the precipitation of hydrated and carbonated mineral phases at ~8-6.5 GPa, partial melting of metasomatized mantle at 6.5 down to 4 GPa and finally in the precipitation of hydrated/carbonated phases below 4 GPa. Melt extraction occurs via swarm of dykes triggered when the top of the compaction pocket successively crosses these critical depths: ~240 km (8GPa), ~165 km (5.5 GPa) and ~135 km (4.5 GPa). It is shown that the three groups of lavas (group I, II and III) may be linked to these three successive melt extraction events. Strikingly, the clinopyroxene zonings recorded in the Salavat Range lavas may be representative of group I melt transported by a dyke generated at 240 km depth which pond close to the spinel-garnet mantle transition and eventually partially crystalized there. About 0.3 Ma later, when a 135 km deep dyke transporting a group II melt crosses that last interface, it traps partially crystalized assemblage of group I melt. Thereafter, the couple of mantle-derived melts may pound in a cold horizon where they simultaneously solidify and can explain the formation of clinopyroxene zonings in equilibrium with different alkaline melts.
Les laves alcalines continentales dérivent de magmas mantelliques, riches en éléments volatils, et se sont mises en place, soit dans un environnement orogénique, à proximité des zones de subduction, soit dans un environnement intracontinental éloigné de toute zone de subduction active. Leur genèse implique la fusion partielle des sources mantelliques soit à des profondeurs relativement faibles (<150 km), soit à plus grandes profondeurs (> 150 km) pouvant même atteindre le sommet de la zone de transition du manteau. Au niveau du plateau turco-iranien, les laves alcalines d’âge inférieur à 80 Ma présentent des signatures géochimiques pointant vers deux types de sources, c'est-à-dire des sources influencées par la subduction et d’autres intra-plaques (« OIB-like basalts »). Sur la base de la teneur en SiO2 et de l'indice d'alcalinité, les laves peuvent être regroupées en trois types principaux, les groupes I, II et II. Les groupes I et II sont des laves potassiques/ultra-potassiques et alcalines sodiques avec des compositions chimiques soit influencés par la subduction soit de type OIB, alors que les laves du groupe III ont une composition transitoire entre les séries fortement potassiques calco-alcalines à alcalines dont la composition est influencée par les processus de subduction. En particulier, la chaîne de Salavat, située au nord-ouest de l'Iran, est caractérisée par des laves (coulées, «pillow-lavas») présentant une population abondante de macrocristaux de clinopyroxène zonés. La comparaison des variations de la composition chimiques de ces cristaux zonés avec les éléments majeurs et traces sur roche totale montre que les différentes populations de clinopyroxènes zonés sont représentatives des magmas du groupe I et / ou II. Notre synthèse des images les plus récentes de tomographie sismique montre la présence d'un grand ensemble de corps elliptiques à faible vitesse sismique, d'une taille d'environ 100 km, que nous avons appelés « poche de compaction », dispersés entre ~ 400 km et 100 km de profondeur. Un modèle est développé montrant que la faible vitesse sismique des « poche de compaction » résulte de la percolation et de la concentration dans ces grandes poches, de magmas riches en éléments volatils libérées à environ 410 km de profondeur dans le «Big Mantle Wedge». Ces magmas riches en éléments volatils interagissent avec le manteau environnant à une température inférieure de ~ 100 à 200 ° C à celle de l'adiabat mantellique subcontinental habituel, ce qui entraîne finalement la précipitation de phases minérales hydratées et carbonatées à ~ 8 -6,5 GPa, la fusion partielle du manteau métasomatisé, entre 6,5 GPa et 4 GPa, et enfin la précipitation de phases minérales hydratées / carbonées en dessous de 4 GPa. L'extraction de ces magmas s'effectue par l'intermédiaire d'un essaim de dykes qui se déclenche lorsque le sommet du poche de compaction traverse successivement ces profondeurs critiques: ~ 240 km (8 GPa), ~ 165 km (5,5 GPa) et ~ 135 km (4,5 GPa). Il est montré que les trois groupes de laves (groupe I, II et III) peuvent être liés à ces trois événements successifs d'extraction à l'état fondu. Il est frappant de constater que la zonation des cristaux de clinopyroxène dans les laves de Salavat peut être représentative d’un magma du groupe I transporté par un dyke généré à 240 km de profondeur, qui se met en place près de la transition spinelle-grenat dans le manteau supérieur où il cristallise partiellement. Environ 0,3 Ma plus tard, lorsqu'un filon produit à 135 km de profondeur transportant un magma du groupe II traverse cette interface, il piège un assemblage partiellement cristallisé du magma du groupe I. Par la suite, ces deux magmas mélangés peuventt se mettre en place dans les niveaux superficiels froids de la croute où ils se solidifient simultanément. Ceci explique pourquoi les cristaux zonés de clinopyroxènes sont en équilibre avec différents types de magmas alcalins.
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