Les ophiolites en 180 photos – 7/7 L'hydrothermalisme

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

18/02/2019

Résumé

Circulations hydrothermales dans les ophiolites : mobilités élémentaires, concentrations minérales, altération, argilisation.


Avant-propos

Le but de cette série de sept “images de la semaine“ n'est pas d'expliquer la genèse de la lithosphère océanique, ni la mise en place des ophiolites sur les continents, ni la géologie précise des ophiolites prises en exemple, mais simplement d'être un album d'environ 180 photos (un clin d'œil au concours Ma thèse en 180 secondes), une banque de données photographiques que chacun pourra utiliser pour illustrer/démontrer ses propos. Ces images montreront divers aspects de divers cortèges ophiolitiques, ophiolites “complètes” car issues de dorsales rapides, ou beaucoup plus “réduites” car issues de dorsales lentes. Il s'agira uniquement de photos prises sur le terrain, sans photo de lame mince, sans diagramme, sans analyse chimique… On se limitera à ce qui découle de l'histoire océanique de l'ophiolite, sans aborder ce qui est lié aux phénomènes de subduction/obduction/collision. Cet album photo comporte sept semaines/chapitres : (1) le manteau, (2) les gabbros, (3) le cortège filonien, (4) les basaltes en coussins ( pillow lavas ), les coulées et les sédiments, (5) le Moho, (6) l'extension spatiale et temporelle du magmatisme, et (7) l'hydrothermalisme. Un schéma des deux types d'ophiolites sera placé à la fin de chaque article, pour que chacun puisse (1) situer les divers objets photographiés dans le(s) modèle(s), et (2) comparer réalité naturelle et modèles. Le choix des photos est forcément subjectif, intersection entre ce que je connais personnellement et ce que je pense utile à tout un chacun selon ses besoins, pour que les ophiolites ne soient pas réduites ou à un (des) modèle(s) théorique(s) ou au seul Chenaillet pour les plus chanceux qui peuvent y aller.

Sauf pour les ophiolites “françaises” (les Alpes et la Désirade en Guadeloupe), toutes les photographies de ces articles ont été prises lors d'excursions géologiques organisées par le Centre briançonnais de géologie alpine (CBGA) et encadrées par Romain Bousquet (Université de Kiel) pour Chypre, par Jean Pierre Bouillin (Université de Grenoble) pour l'ile d'Elbe, par Emmanuel Ball (Université de Montpellier) ou Aymond Baud (Université de Lausanne) pour l'Oman, et par Thierry Juteau (Université de Brest) pour la Turquie. Sans eux, je n'aurais jamais pu prendre ni commenter ces 180 photographies.

Figure 1. Filon verdâtre très hydrothermalisé dans une partie basculée (par de la tectonique) du cortège filonien de l'ophiolite de Chypre, près de Lemithou

Ces filons ont plus ou moins servi de drains à la circulation hydrothermale, très active à l'axe des dorsales. Les filons où la circulation a été la plus intense ont vu leur basalte doléritique complètement transformé en une roche verte faite d'un mélange quartz + épidote, roche appelée épidosite. Des études thermobarométriques indiquent que cette altération s'est principalement faite à 400°C et 40 MPa (thèse Gabriel Coelho, 2013, NNT: 2013ORLE2059 ; tel-01004382).


Figure 2. Filon verdâtre très hydrothermalisé dans une partie basculée (par de la tectonique) du cortège filonien de l'ophiolite de Chypre, près de Lemithou

Ces filons ont plus ou moins servi de drains à la circulation hydrothermale, très active à l'axe des dorsales. Les filons où la circulation a été la plus intense ont vu leur basalte doléritique complètement transformé en une roche verte faite d'un mélange quartz + épidote, roche appelée épidosite. Des études thermobarométriques indiquent que cette altération s'est principalement faite à 400°C et 40 MPa (thèse Gabriel Coelho, 2013, NNT: 2013ORLE2059 ; tel-01004382).


Figure 3. Gros plan sur l'épidosite de la figure précédente, ophiolite de Chypre, près de Lemithou

Cette roche faite d'un mélange épidote + quartz, issue de la transformation d'une roche basique (dolérite), est plus perméable que la roche initiale. Un début de transformation rend le filon plus perméable, ce qui augmente la circulation hydrothermale dans le filon et son altération, donc sa perméabilité, donc son altération… Un bel exemple de rétroaction positive ((thèse Gabriel Coelho, 2013, NNT: 2013ORLE2059 ; tel-01004382) qui explique la très grande variabilité de l'altération hydrothermale sur quelques mètres.


Figure 4. Mini-géode tapissée de cristaux d'épidote dans un bloc tombé du filon d'épidosite des figures précédentes, ophiolite de Chypre, près de Lemithou

On peut voir d'autres belles épidotes [Ca2(Fe,Al)Al2(SiO4)(Si2O7)O(OH)] associées à des basaltes sous-marins (non ophiolitiques il est vrai) dans Un exceptionnel affleurement de pillow lavas hydrothermalisés, Eibar, Pays Basque espagnol .


Figure 5. Filon de basalte très hydrothermalisé traversant une coulée de basaltes en coussins (Linou, Chypre)

Ce filon hydrothermalisé est de couleur “rouille”, indication que l'altération y a été d'un autre type que dans les figures précédentes. On n'y voit pas d'épidote. S‘il y en a, elle est masquée par une argilisation intense qui a généré des argiles ocres riches en hydroxydes de fer. Outre la profondeur (on est dans les laves en coussins, l'affleurement précédent était dans le cortège filonien), les conditions d'altération (P, T, pH, potentiel rédox…) devaient être différentes dans ce secteur des ophiolites de Chypre par rapport aux conditions des images précédentes.


Figure 6. Affleurement de basaltes en coussins hydrothermalisés, ophiolite près de Kampia (Chypre)

Au premier plan, les pillows sont verdâtres car sans doute chloritisés et épidotitisés. Au deuxième plan, des pillows plus sombres, sans doutes riches en oxydes de fer et/ou de manganèse. Les propriétés physico-chimiques des fluides hydrothermaux variaient en quelques dizaines de mètres. Au fond, un monastère orthodoxe.

Les coussins de lave verdâtres sont détaillés aux figures 7 et 8, les sombres aux figures 9 et 10.


Figure 7. Vue sur les coussins de lave hydrothermalisés verdâtres, ophiolite près de Kampia (Chypre)

On voit très bien la forme ovale des coussins de lave. Le cœur de ces pillows est bien moins vert (moins riche en épidote et en chlorite), donc bien moins altéré que l'intervalle entre les cœurs de pillows , formé pour une grande part des anciens cortex vitreux juxtaposés.


Figure 8. Détail de ces pillows hydrothermalisés verdâtres, près de Kampia (Chypre)

On voit très bien la forme ovale des coussins de lave. Le cœur de ces pillows est bien moins vert (moins riche en épidote et en chlorite), donc bien moins altéré que l'intervalle entre les cœurs de pillows , formé pour une grande part des anciens cortex vitreux juxtaposés.


Figure 9. Vue sur les coussins de lave hydrothermalisés sombres, ophiolite près de Kampia (Chypre)

Une croûte brillante (oxydes de fer et/ou de manganèse ?) recouvre les pillows et les fractures qui les traversent. L'intérieur de ces pillows ne ressemble plus à du basalte, mais a une structure spongieuse tant l'altération hydrothermale a été intense.


Figure 10. Détail de ces pillows hydrothermalisés sombres, ophiolite près de Kampia (Chypre)

Une croûte brillante (oxydes de fer et/ou de manganèse ?) recouvre les pillows et les fractures qui les traversent. L'intérieur de ces pillows ne ressemble plus à du basalte, mais a une structure spongieuse tant l'altération hydrothermale a été intense.


L'un des effets de l'hydrothermalisme, c'est un échange d'ions entre l'eau (de mer au départ) et les roches traversées. Des éléments chimiques sont fixés par les roches (le magnésium et le sodium par exemple), mais d'autres sont libérés par ces roches (le calcium, le fer et d'autres éléments de transition comme le cuivre ou le manganèse par exemple), ou changent de valence (le soufre par exemple). À ces ions mobiles venus des roches altérées peuvent parfois s'ajouter des éléments d'origine magmatique comme le soufre. En arrivant au niveau du fond de la mer, où la température est très faible, le milieu relativement oxydant…, ces ions mobiles peuvent précipiter autour des points de sortie de l'hydrothermalisme. Dans les zones où l'hydrothermalisme est beaucoup plus important qu'ailleurs, cette précipitation peut former de véritables gisements d'oxydes et surtout de sulfures métalliques d'intérêt économique, tout à fait exploitables dans les ophiolites. De nombreux gisements de cuivre ont été et sont encore exploités au sommet des basaltes en coussins de l'ophiolite de Chypre. Le mot de cuivre vient d'ailleurs du mot latin cupreum , dérivant lui-même de kupros (Κύπρος) nom de l'ile de Chypre en grec ancien où se trouvent de nombreux gisements “ophiolitiques” de chalcopyrite (CuFeS2) et de ses dérivés. Il existe encore une ou deux mines (à ciel ouvert) en activité à Chypre, mais, exploités depuis des milliers d'années, la majorité des gisements sont épuisés. Sauf certains jours particuliers comme des journées du patrimoine, les mines chypriotes en activité ne sont pas autorisées au public. Quant aux mines abandonnées, leur statut est variable : de mines closes par des barrières pour celles qui sont dangereuses, à des mines parcourues par des sentiers de découvertes ou de footing pour celles qui ne présentent pas de danger particulier. Si la France pouvait s'inspirer de cette politique… Les anciens mineurs ont été très efficaces, et il ne reste plus beaucoup de minerai dans les mines abandonnées, du moins dans celles que j'ai visitées, ni dans leur déblais. Mais ces mines forment de véritables parcours muséographiques de l'hydrothermalisme océanique. Nous vous montrons une photographie d'une mine chypriote encore en activité, la mine de Skouriotissa, et quatorze photographies prises dans trois mines abandonnées situées au Sud-Ouest de Nicosie.

Figure 11. Vue de loin de la mine de Skouriotissa, encore en activité, ophiolite de Chypre



Figure 13. Sentier aménagé permettant de parcourir une ancienne mine de cuivre de Chypre

Un exemple à suivre par la France !


Figure 14. Vue d'ensemble de la paroi d'une ancienne mine de cuivre de Chypre

Quand ils ne sont pas recouverts d'argiles (déposée là par les mineurs), on retrouve la morphologie des basaltes en coussins, mais coussins complètement argilisés et transformés en un mélange d'argiles diverses, principalement de la kaolinite. La quasi-totalité des métaux “colorants” (fer, manganèse) ont été lessivés, et les coussins sont devenus presque blancs sauf quand il reste localement un peu d'hydroxydes ferriques donnant une teinte rouge ou ocre.


Figure 15. Vue rapprochée de la paroi d'une ancienne mine de cuivre de Chypre

Quand ils ne sont pas recouverts d'argiles (déposée là par les mineurs), on retrouve la morphologie des basaltes en coussins, mais coussins complètement argilisés et transformés en un mélange d'argiles diverses, principalement de la kaolinite. La quasi-totalité des métaux “colorants” (fer, manganèse) ont été lessivés, et les coussins sont devenus presque blancs sauf quand il reste localement un peu d'hydroxydes ferriques donnant une teinte rouge ou ocre.


Figure 16. Vue d'ensemble de la paroi d'une ancienne mine de cuivre, ophiolite de Chypre

L'altération hydrothermale a ici été tellement intense que la masse de la coulée faite de pillows a été entièrement argilisée, et débarrassée de son fer et autre éléments “colorants”. La morphologie initiale de certains coussins est encore identifiable. Des « coussins albinos » en quelque sorte !


Figure 17. Vue de détail de la paroi d'une ancienne mine de cuivre, ophiolite de Chypre

L'altération hydrothermale a ici été tellement intense que la masse de la coulée faite de pillows a été entièrement argilisée, et débarrassée de son fer et autre éléments “colorants”. La morphologie initiale de certains coussins est encore identifiable. Des «  pillows albinos » en quelque sorte !



Figure 19. Vue d'ensemble d'une paroi d'une ancienne mine de cuivre de l'ophiolite de Chypre

On reconnait encore localement la morphologie des coussins de lave. L'altération hydrothermale y a été très variable, ce qui se traduit par un festival de couleurs minérales : blanc kaolinite, jaune-vert épidote, rouge goethite, orange limonite, gris vert céladonite…


Figure 20. Détail de la paroi montrant des laves en coussins hydrothermalisées, Chypre


Figure 21. Détail de la paroi montrant des laves en coussins hydrothermalisées, Chypre

Photo Freddy Garreau


Figure 22. Vue d'ensemble d'une autre paroi d'une ancienne mine de cuivre de Chypre

La structure des coussins de lave est conservée, une grande variation de l'intensité et de la “qualité” de l'hydrothermalisme se traduit par une variété de couleurs.


Figure 23. Vue de détail d'une autre paroi d'une ancienne mine de cuivre de Chypre

La structure des coussins de lave est conservée, une grande variation de l'intensité et de la “qualité” de l'hydrothermalisme se traduit par une variété de couleurs.


Figure 24. Vue de détail d'une autre paroi d'une ancienne mine de cuivre de Chypre

La structure des coussins de lave est conservée, une grande variation de l'intensité et de la “qualité” de l'hydrothermalisme se traduit par une variété de couleurs.


Figure 25. Vue de détail d'une autre paroi d'une ancienne mine de cuivre de Chypre

La structure des coussins de lave est conservée, une grande variation de l'intensité et de la “qualité” de l'hydrothermalisme se traduit par une variété de couleurs.


L‘exploitation des minerais de cuivre, principalement de la chalcopyrite (CuFeS2) mais aussi de ses formes d'oxydation comme la cuprite (Cu2O), la malachite [Cu2CO3(OH)2]… a presque été totale, et on n'en trouve presque plus dans ces mines abandonnées de Chypre. Nous vous montrons néanmoins quelques photographies de sulfures et de sels de cuivre colorés prises à Chypre. Pour bien découvrir ces sulfures sous-marins hydrothermaux et leurs minéraux dérivés, rendez-vous d'ici quelques semaines dans deux gisements extraordinaires bien français et même rhônalpins, mais bien peu mis en valeur, ce qui est, hélas, le sort classique de bien des sites du patrimoine géologique français.


Figure 27. Vue d'ensemble d'une paroi d'une ancienne mine de cuivre chypriote constituée de giga-coussins de lave prismés en forme de tube de lave

Les espaces “inter- pillows ” sont imprégnés de sels de cuivre (probablement de la malachite) reconnaissables à leur couleur verte.


Figure 28. Vue de détail d'une paroi d'une ancienne mine de cuivre chypriote constituée de giga-coussins de lave prismés en forme de tube de lave

Les espaces “inter- pillows ” sont imprégnés de sels de cuivre (probablement de la malachite) reconnaissables à leur couleur verte.


Figure 29. Schémas théoriques très simplifiés des deux types extrêmes de fonds océaniques et d'ophiolites : les fonds océaniques issus de dorsale rapide (à gauche) ou lente (à droite)

Toutes les ophiolites traitées dans l'article de cette semaine (Chypre) sont issues de dorsales rapides et possèdent une croûte épaisse. C'est cette croûte épaisse hydrothermalisée que nous avons montrée dans les 28 photos qui précèdent, bien que le manteau sous-jacent puisse aussi être hydrothermalisé (cf. Les ophiolites en 180 photos – 1/7 Le manteau à partir de la photo 22). Dans le cas de dorsale lente, et par la force des choses, l'hydrothermalisme affecte surtout le manteau et génère surtout des serpentinites.


C'est la dernière des sept semaines montrant au total environ 180 photographies d'ophiolites. Ces photographies permettent d'avoir une idée « à l'air libre » de ce qu'il se passe au fond des océans, que ceux-ci aient ou non une activité volcanique, qu'ils soient “modernes” comme ceux de cette série, ou beaucoup plus anciens, voire archéens. Et parmi les phénomènes qui s'y passent, l'hydrothermalisme sous-marin, le sujet de cette dernière semaine, est sans doute celui qui a eu (et a encore) le plus d'influence sur la planète Terre.

Du moins important pour la planète au plus important, on peut citer : (1) la genèse de minerais, (2) la participation à la “régulation” de la salinité de l'eau de mer (cf. Un volcanisme bien méconnu et pourtant si riche d'enseignement : le volcanisme du Crétacé supérieur du Pays Basque, ses pillow-lavas et la salinité de l'eau de mer , (3) l'hydratation de la lithosphère océanique, dont l'eau est à l'origine du magmatisme des zones de subduction, à l'origine (surtout à l'Archéen) d'une bonne part de la croûte continentale, (4) une participation possible si ce n'est probable à l'origine de la vie (cf. De potentiels précurseurs des premières briques du vivant observés dans des roches océaniques profondes ).

Sans l'interaction eau de mer/roches basiques et ultrabasiques au fond des mers, la planète Terre ne serait pas ce qu'elle est aujourd'hui.

Figure 30. Localisation des six ophiolites visitées dans les sept articles de cette série les ophiolites en 180 photos  : les Alpes, Chypre, la Désirade, l'ile d'Elbe, l'Oman et la Turquie