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Doctorant en magmatologie physique H/F : STRUCTURE ET MECANIQUE DES MUSH MAFIQUES OCEANIQUES : SEGREGATION DES LIQUIDES INTERSTITIELS ET DEFORMATION INTRACRISTALLINE

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
- Français-- Anglais

Date Limite Candidature : jeudi 25 avril 2024

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Informations générales

Intitulé de l'offre : Doctorant en magmatologie physique H/F : STRUCTURE ET MECANIQUE DES MUSH MAFIQUES OCEANIQUES : SEGREGATION DES LIQUIDES INTERSTITIELS ET DEFORMATION INTRACRISTALLINE
Référence : UMR7327-MARROU0-045
Nombre de Postes : 1
Lieu de travail : ORLEANS
Date de publication : jeudi 4 avril 2024
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 septembre 2024
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : La rémunération est d'un minimum de 2135,00 € mensuel
Section(s) CN : Terre et planètes telluriques : structure, histoire, modèles

Description du sujet de thèse

Au CNRS, à l'ISTO, nous proposons dans le cadre de cette thèse d’explorer expérimentalement en presse de Paterson (déformation sous pression à haute température ; https://www.isto-orleans.fr/2022/06/29/la-presse-paterson/) la ségrégation des liquides silicatés pendant la déformation d’un mush mafique, et ce afin de caractériser la transition structurale et rhéologique du blocage des cristaux à la transition magma-mush. Les résultats expérimentaux seront comparés aux microstructures décrites par EBSD (CPO et déformations intra-grain) sur des échantillons spécifiques identifiés comme documentant la ségrégation des liquides silicatés à partir des mushes, et la transition magma-mush (i.e., étape de verrouillage des charpentes cristallines). Ces échantillons sont déjà disponibles au CRPG (par exemple, SSR : échantillons IODP du banc et du massif d'Atlantis et dikes plutoniques supplémentaires documentant la transition magma-mush ; FSR : séries stratifiées IODP de Hess Deep, et collections du CRPG d'Oman provenant de campagnes sur le terrain et du consortium ICDP16).
Les produits de départ des expériences en presse Paterson seront des assemblages synthétiques de composition et de structures représentatives des magmas mafiques océaniques. Les analyses sur échantillons déformés porteront sur les structures (topologie de la charpente cristalline, SPO, topologie et connectivité des poches de liquides, simulation de la perméabilité) seront réalisées en 2D au MEB, en 3D au tomographe à résolution moyenne (Tomographe de l’ISTO, 1 µm : https://www.isto-orleans.fr/2022/06/30/nanotom-phoenix-baker-hugues-waygate-tetchnologies/) et au synchrotron à haute résolution (0.2 µm, ligne TOMCAT, Paul Scherrer Institut, Villingen, Suisse ; ou SOLEIL). L’analyse des compositions des liquides, ainsi que des phases cristallines, seront abordées au MEB,à la microsonde et avec la spectroscopie RAMAN. Les fabriques cristallographiques et les déformations intra-cristallines seront quant à elles quantifiées par la méthode EBSD et Raman à l’ISTO (et potentiellement à Montpellier : https://mea.edu.umontpellier.fr/ebsd/). Enfin, la simulation de la perméabilité de la phase liquide sera réalisée sous OPENFOAM (https://www.openfoam.com/) à partir d’images 3D préparées sous DragonFly (https://www.theobjects.com/dragonfly/index.html).

Contexte de travail

Près des deux tiers de la surface de la Terre sont recouverts d'une croûte océanique formée au niveau des dorsales médio-océaniques (MOR), où se concentre plus de 70 % du flux total de magma. Grâce aux progrès considérables réalisés au cours des dernières décennies par la communauté multidisciplinaire des géosciences marines, notre compréhension des systèmes de « plomberie » magmatique océanique au niveau des dorsales à propagation rapide (FSR) et lente (SSR) a radicalement évolué. Ces systèmes sont fortement dominés par des corps magmatiques riches en cristaux (mush), tandis que les domaines pauvres en cristaux (suspensions magmatiques) sont limités à des lentilles localisées et sont probablement éphémères. Dans de tels systèmes, la séparation entre cristaux et liquides est entravée, le processus de cristallisation fractionnée ne peut pas fonctionner comme on l'envisage classiquement Le principal processus façonnant toute la croûte océanique terrestre ne contrôle donc pas l'ensemble de la différenciation magmatique, et doit par conséquent être revu. Des processus alternatifs ont néanmoins été proposés sur la base d'études pétrologiques d'échantillons provenant à la fois de la croûte océanique actuelle et de sections océaniques préservées dans des ophiolites. Parmi eux, celui qui semble fonctionner de manière générale est la réaction mush-liquide silicaté (également appelée réaction liquide-roche) qui se produit a priori dans un flux poreux réactif à travers les réservoirs fortement cristallisés. Cependant, les mécanismes de séparation cristal-liquide, puis d’extraction du liquide dans ces conditions restent encore très mal compris.

Problématique
Les mush étant des milieux presque immobiles par rapport aux magmas pauvres en cristaux mobilisables, le changement de paradigme vers des systèmes de plomberie dominés par les magmas riches cristaux implique de fortes limitations sur leur migration pour alimenter d'autres réservoirs magmatiques et/ou les éruptions au niveau du plancher océanique. Néanmoins, de nombreux MORB enregistrent les réactions de fusion et de broyage identifiées dans les parties riches en cristaux des réservoirs et, bien que pauvres en phénocristaux, la plupart des éruptions du plancher océanique sont alimentées par des magmas qui ont déjà fractionné quelques dizaines de pourcents de cristaux. Un mécanisme efficace de séparation cristal-liquide est donc en action mais n'a pas encore été identifié avec précision. Cette question est très répandue en pétrologie magmatique et n'est pas limitée qu’au magmatisme des dorsales médio-océaniques puisqu’elle se pose également pour les systèmes magmatiques felsiques de la croute continentale.
Les archives plutoniques de la FSR et de la SSR documentent les processus d'injection de magma pauvre en cristaux, et l'extraction de liquides silicatés réagissant à partir de domaines riches en cristaux. Cependant, la force motrice de cette migration des liquides silicatés résiduels (flottabilité, compaction, cisaillement, réinjection...) reste mal comprise. Une question ouverte similaire est associée à la caractéristique principale des sections plutoniques océaniques qui sont appauvries à plus de 99 % en éléments incompatibles, ce qui en fait des cumulats typiques, mais le processus d'extraction des liquides interstitiels évoluées et le rapport liquide piégé/extrait ne sont pas encore maîtrisés. Comme cela a été rapporté dans d'autres contextes, les déformations intra-grains – marquées par des courbures et désorientations ponctuelles du réseau cristallin induites par déformation plastique – sont relativement limitées et ne sont potentiellement pas compatibles avec une compaction ou un cisaillement généralisé des mush. En outre, le blocage cristallin qui se produit à la transition suspension magmatique-mush a le potentiel de déclencher certaines déformation plastiques dans les minéraux qui forment la charpente du mush et peut expliquer les faibles désorientations observées. Plus généralement, nous manquons actuellement de connaissances sur l'effet de ces différents processus (verrouillage cristallin à la transition magma-mush, compaction du mush et cisaillement) sur l'extraction de la matière fondue et sur l'enregistrement microstructural, en particulier en termes de désorientation des minéraux déformés.
Jusqu'à présent, la plupart des études expérimentales dynamiques se sont concentrées sur la forme (SPO) et les orientations cristallographiques (CPO) préférentielles, ainsi que sur les structures de localisation de la déformation dans les mushs cisaillés. Pour se faire, elles ont utilisé des matériaux de départ synthétiques composés de grains d'alumine broyés ou de plagioclases micrométriques noyés dans une masse fondue felsique. Cependant, ces produits de départ ne permettent pas de reproduire et de mesurer les désorientations intra-cristallines, telles qu’elles sont observées dans les mushs mafiques naturels. Par conséquent, une nouvelle série d'expériences devrait être réalisée sur des mushs mafiques représentatifs et composés de cristaux suffisamment grands pour permettre des investigations EBSD précises des courbures et désorientations intra-cristallines liées aux interactions mécaniques entre le cristal et le liquide silicaté.
Une amélioration de notre compréhension de ces processus nécessitera donc de nouvelles contraintes expérimentales de ces divers processus afin de comparer les microstructures obtenues (désorientations, SPO et CPO) aux enregistrements naturels. Ceci nous aidera à identifier l'origine des déformations intra-cristallines au sein des roches plutoniques, ainsi que les processus opérant lors de la séparation cristal-liquide dans les mushes, et potentiellement l'origine du caractère cumulatif des sections plutoniques océaniques.

Cette thèse se déroulera au sein de l’Institut des sciences de la Terre d’Orléans (ISTO, https://www.isto-orleans.fr/). L’ISTO est une Unité Mixte de Recherche (UMR) sous la tutelle du CNRS (Délégation régionale Centre Limousin Poitou Charentes), de l’Université d’Orléans et du Bureau de Recherche Géologiques et Minières (BRGM). Elle sera rattachée à l’Ecole Doctorale ED 552 - Énergie - Matériaux - Sciences de la Terre et de l'Univers (EMSTU).
Ce projet associe des chercheurs du LMV (Clermont-Ferrand) et du CRPG (Nancy) avec lesquels des échanges importants tout au long de la thèse assureront le lien avec les autres approches : pétrologique, expérimentale et géochimique, qui sont toute propres au projet ANR MUSHOCEAN. Des missions d’échanges et de séminaires sont donc programmées à Clermont-Ferrand et à Nancy pour maintenir un lien collaboratif fort.
L’environnement de la thèse (Salaire, frais expérimentaux et analytiques, missions et publications) sera soutenu financièrement par l’ANR MUSHOCEAN (2024-2027).

Informations complémentaires

Le candidat envisagé pour cette thèse devra être titulaire d’un master de sciences de la Terre et des planètes. Il devra avoir une bonne connaissance de la pétrologie magmatique avec une expérience des techniques analytiques classiques (MEB, microsonde). Une première expérience dans l’expérimentation haute pression et haute température en autoclaves sera appréciée.

Valorisation :
La première étape de valorisation se fera par des posters et présentations orales dans des congrès internationaux, par exemple : EMPG2025, Orléans, France ; DRT2026 ; AGU2026, San Francisco ; Hutton Conference 2027… ; mais aussi par des publications de rang international dans des journaux tels que Journal of Petrology, JGR, …