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Ce que nous apprennent les roches* du manteau sur la migration des magmas dans le manteau Peter Kelemen * Roches experimentales, volcaniques et du manteau

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Ce que nous apprennent les roches* du manteau sur la

migration des magmas dans le manteau

Peter Kelemen

* Roches experimentales, volcaniques et du manteau

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Minerals in the mantle and lower crust

Olivine Mg2SiO4 - Fe2SiO4

Orthopyroxene Mg2Si2O6 - Fe2Si2O6, etcClinopyroxene CaMgSi2O6 - CaFeSi2O6, etc Spinel (Mg,Fe)(Cr,Al)2O4 , etcGarnet (Mg,Fe,Ca)3Al2Si3O10, etcPlagioclase CaAl2Si2O8 - NaAlSi3O8

Melting reactions

P > 20 kilobars (2 Gpa)Ol + Opx + Cpx + Gnt = melt8 kb < P < 20 kbOpx + Cpx + Sp = Ol + meltP < 8 kbOpx + Cpx + Plag = Ol + melt if fertileOpx + Cpx + Sp = Ol + melt if depleted

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really lowF

~3 to 20%melting

reallyhigh F

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mantle solidus

liquidadiabat

olivine saturation

pyroxene saturation D

epth

Temperature

{

peridotite dissolves(even olivine), MgO up{pyroxenes dissolve

olivine precipitates, SiO2 up

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0 .0 0 10 .0 10 .111 01 0 01 0 0 01 04C sR bB aT hUKT aN bL aC eP bP rS rN dZ rH fS mE uG dT bT iD yH oE rT mY bL uYN iN -M O R Bc o n c e n tra tio n , p p m

0.001

0.01

0.1

1

10

100

1000

104

Cs Rb Ba Th U K Ta Nb La Ce Pb Pr Sr Nd Zr Hf Sm Eu Gd Tb Ti Dy Ho Er Tm Yb Lu Y Ni

N-MORB

concentration, ppm

0.1

1

10

La Ce Pr Nd Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu

N-MORB REE

concentration, ppm

Rare Earth Elementsin order of increasing Z

periodic tablein approximate order of crystal/liquid partitioning

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0.1

1

10

Cs Rb Ba Th U K Ta Nb La Ce Pb Pr Sr Nd Zr Hf Sm Eu Gd Tb Ti Dy Ho Er Tm Yb Lu Y Ni

N-MORB/Primitive Mantle

N-MORB/C1 chondrite

Primitive Mantle/C1 chondrite

normalized concentration

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Bottom up:

Diffuse porous flow Melting & diapirsMagma fractureFocused porous flowSills & lenses at “top”

Top down:

MORB compositionMORB focusingMORB ascent rate

Arc compositionArc focusingHotspot flux, comp,

focusing

= WFρs/(wρf) STEADY STATE!

( = 1)

w = kΔρg/(φμf) “DARCY’S LAW”

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w = kΔρg/(φμf)

k = d2φ3/c

Von Bargen & WaffWark, Watson, et al. k = d2φ3/270

Faul et al.

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Von Bargen & Waff

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Grain size variation: some grains smaller, more melt on triple grain boundaries (= grain edges)At low melt fraction, little or no melt on large grain edgesIf rock is banded in grain size, low permeability to banding

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hzol+spol

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HARZBURGITE (+) OL + SP ()

OL only ()

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hzol+spol

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ul e

t al.

Von Bargen & WaffWark, Watson, et al.

quartzite

marble

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compositional variation across a large dunite in the Josephine peridotite

0

0.05

0.1

0.15

0.2

12.5 17.5 22.5 27.5 32.5

Position (m)

w.t. %CaO in Olivine

0.00

0.05

0.10

0.15

0.20

12.5 17.5 22.5 27.5 32.5

Position (m)

w.t. %CaO in Whole Rock

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upper bound estimate of “permeability threshold”

based on upper bound estimate of “trapped melt”,

based on CaO in whole rock - olivine

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w = kΔρg/(φμf)

k = d2φ3/c

Wark, Watson, et al. k = d2φ3/270

Von Bargen & WaffWark, Watson, et al.

Faul et al.X

X

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Wetting angles may vary depending on crystallographic orientation and mineral

At low melt fractions, “unfavorable” grain edges have no melt at all

Positive or negative feedback on permeability?

k = d2φ3/c

c is a “geometric factor”

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ol + melt ol + meltol + melt ol + melt

ol + opx + melt

ol ± opx NO initial melt

6h

ol + opx + melt

ol ± opx NO initial melt

6h

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3 = 270μWFρs/(d2Δρgρf)

from

= WFρs/(wρf)

STEADY STATE!

( = 1)

w = kΔρg/(φμf)

“DARCY’S LAW”

k = d2φ3/270

Wark et al.

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Bottom up:

Diffuse porous flow OK, prefer Wark et al.

(for now) field evidence? Melting & diapirsMagma fractureFocused porous flowSills & lenses at “top”

Top down:

MORB compositionMORB focusingMORB ascent rate

Arc compositionArc focusingHotspot flux, comp,

focusing

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Models of regional pervasive porous flow conflict with structural and seismic evidence that fractures control fluid transportation in the upper mantle. Effects of porous-medium flow have been inferred in studies of mantle peridotite … but are well documented only on scales of centimeters or decimeters. In all these [cases], porous flow is fundamentally controlled by proximity to magma-filled fractures.

Nielsen & Wilshire, 1993

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-12,000

-10,000

-8,000

-6,000

-4,000

-2,000

0

89.5 90 90.5 91 91.5 92 92.5

harzburgite

dunite

meters below crust/mantle transition

forsterite content in olivine

molar Mg/(Mg+Fe)

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melt outresidual porosity

nothing coming in

melt outmelt coming in

residual porosity

nothing outMORB coming in

nothing outlocal melt coming in

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Qu

ickTim

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and

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F (

Un

com

pre

sse

d)

de

com

pre

sso

rare

nee

de

d t

o s

ee t

his

pic

ture

.

light REE “enriched”

light REE depleted

low Allow Al

high Al

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coarse,granular(high T)

Porphyroclastic(low T)

light REEdepleted(“MORB source”)

Light REEEnriched

(addition of low degree melts)