Éruptions de kimberlite entraînées par le flux de dalle et l'angle de subduction

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9216 (2023) Citer cet article

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Détails des métriques

Les kimberlites proviennent de remontées thermochimiques qui peuvent transporter des diamants à la surface de la croûte. La majorité des kimberlites conservées à la surface de la Terre ont éclaté il y a entre 250 et 50 millions d'années et ont été attribuées à des changements de vitesse des plaques ou des panaches du manteau. Cependant, ces mécanismes ne permettent pas d'expliquer la présence de fortes signatures de subduction observées dans certaines kimberlites du Crétacé. Cela soulève la question de savoir s'il existe un processus de subduction qui unifie notre compréhension du moment des éruptions kimberlitiques. Nous développons une nouvelle formulation pour calculer l'angle de subduction en fonction de la migration des tranchées, du taux de convergence, de l'épaisseur et de la densité de la dalle pour relier l'afflux de matériau de la dalle dans le manteau au moment des éruptions de kimberlite. Nous constatons que les angles de subduction combinés aux pics de flux de dalle prédisent les impulsions des éruptions de kimberlite. Des taux élevés de matériau de dalle de subduction déclenchent un flux de retour du manteau qui stimule les réservoirs fertiles dans le manteau. Ces instabilités convectives transportent la fonte influencée par la dalle vers la surface à une distance entrant de la tranchée correspondant à l'angle de subduction. Notre formulation d'immersion de dalles en temps profond a de nombreuses applications potentielles, notamment la modélisation des cycles profonds du carbone et de l'eau, et une meilleure compréhension des gisements minéraux liés à la subduction.

Les kimberlites sont des roches volcaniques mafiques issues du manteau terrestre et sont les roches hôtes de la plupart des diamants1. Les kimberlites se produisent sur chaque craton et se sont sporadiquement mises en place depuis 3 Ga2, mais le plus grand nombre d'éruptions de kimberlite préservées sur Terre aujourd'hui se sont formées au cours des 250 à 50 derniers millions d'années, principalement en Afrique et en Amérique du Nord3. Bien que la distribution des kimberlites ait été associée aux bords de grandes provinces à faible vitesse d'onde de cisaillement (LLSVP)4 et aux changements de vitesse angulaire des plaques3, ceux-ci n'expliquent pas la fréquence des éruptions de kimberlites ni les signatures isotopiques radiogéniques enrichies indiquant une composante de dalle subductée dans certaines populations de kimberlites du Crétacé1,5. La subduction abrupte de la lithosphère océanique dans le manteau a été proposée pour entraîner un fort flux de retour du manteau et des impulsions de magmatisme6. Pourtant, malgré le lien théorique entre les éruptions volcaniques et les taux élevés de flux de dalles7, les difficultés à estimer le volume et l'angle de subduction de la lithosphère océanique recyclée dans les anciennes zones de subduction ont contrecarré toute corrélation avec les éruptions de kimberlite. Les tentatives précédentes pour caractériser l'angle d'inclinaison des dalles de subduction ont appliqué une analyse multivariée des caractéristiques de la zone de subduction pour rechercher des corrélations entre les paramètres clés8,9,10,11,12,13,14. Cependant, ces approches sont surtout utiles pour reproduire le pendage actuel de la dalle et ont une application limitée aux zones de subduction reconstruites à travers le temps géologique profond. Ici, en utilisant un modèle récent de reconstruction de plaque tectonique15 et des modèles de refroidissement de plaque16,17,18, nous réexaminons l'estimation du pendage de la dalle à partir de simples paramètres cinématiques de plaque qui caractérisent la plupart des zones de subduction à travers le monde pour explorer le rôle potentiel des dalles à forte subduction dans le contrôle des éruptions de kimberlites en Afrique et en Amérique du Nord.

Les profondeurs des dalles de subduction obtenues à partir du modèle Slab219 recouvertes de kimberlites ont éclaté au cours des 250 derniers millions d'années20. Les segments de tranchée ont les abréviations suivantes en (i) Océanie : Ton, Tonga ; Ker, Kermadec; NH, Nouvelles-Hébrides ; Sol, Salomon ; (ii) Asie du Sud-Est : PNG, Papouasie-Nouvelle-Guinée ; Somme, Sumatra ; Mar, Mariannes; IZB, Izu-Bonin ; Ryu, Ryukyu ; Homme, Manille ; Ph., Philippine ; (iii) Asie : Mak, Makran ; SJ, Japon du Sud ; NJ, Nord du Japon ; Kur, Kurile ; (iv) Europe : Hel, Helenic ; Cal, Calabre; (v) Amérique du Nord : Al, Aléoutiennes ; Cas, Cascades ; (vi) Amérique centrale : Mex, Mexique ; MAM, Amérique centrale ; LAT, Petites Antilles ; (vii) Amérique du Sud : CE, Equateur ; SA, Amérique du Sud ; SC, Sud du Chili ; SSO, Sandwich du Sud. Les emplacements approximatifs des tranchées, les types de limites, les noms et les abréviations correspondantes sont répertoriés dans le tableau S1. Les zones blanches indiquent les régions de croûte non océanique ; les lignes rouges épaisses indiquent les dorsales médio-océaniques ; les fines lignes rouges indiquent les limites de transformation. La carte a été générée à l'aide de Cartopy21.

La traction vers le bas des dalles dans le manteau terrestre est la plus grande force motrice de la tectonique des plaques22, où la flexion de la plaque de subduction joue un rôle important dans la modulation de la quantité de traction de la dalle qui est transférée à la surface pour entraîner le mouvement des plaques23. Depuis les années 19808, plusieurs études ont exploré les corrélations entre l'angle de subduction et un certain nombre de paramètres, notamment la durée de subduction, le taux de convergence, la nature de la plaque chevauchante, la longueur de la tranchée et autres8,9,10,11,12,13,14. Une étude récente est revenue à une régression multivariée et a renforcé l'opinion de longue date selon laquelle le pendage de la dalle est influencé par la durée de la subduction et, dans une moindre mesure, l'âge de la plaque descendante et si la plaque dominante est de nature continentale ou océanique13. Bien que ces paramètres soient utiles pour estimer le pendage actuel de la dalle, la démarcation des segments de zone de subduction est subjective et dépendante du temps, ce qui pose une difficulté lorsque l'on tente de retranscrire ces relations de pendage de la dalle à travers le temps géologique profond avec des limites de subduction en constante évolution. Par exemple, les données sur la durée ou la ré-initiation de la subduction sont de plus en plus rares avec l'âge et les réorganisations des plaques rendent la longévité de la subduction difficile à quantifier. De même, la subdivision des segments de dalle à travers le temps profond est hautement subjective et une rupture dans la topologie de la zone de subduction peut entraîner des estimations de pendage de dalle très différentes. Pour surmonter ces défis, nous explorons les corrélations de pendage de la dalle avec une analyse multivariée de la rhéologie des plaques et des paramètres cinématiques qui sont moins ambigus à travers le temps géologique profond en raison de l'optimisation des modèles de plaques pour une rotation sans filet24. En adoptant cette approche, l'estimation du pendage de la dalle peut être appliquée à des zones de subduction évolutives s'étendant aussi loin qu'une reconstruction de plaque donnée le permet.

Nous extrayons les données actuelles sur le pendage des dalles du modèle Slab219, qui estime la profondeur et la géométrie des dalles de subduction à travers le monde à partir des profondeurs des tremblements de terre et des modèles de tomographie (Fig. 1), et combinons celles avec des propriétés cinématiques de plaques proches des actuelles obtenues à partir d'un modèle récent de reconstruction de plaque25 utilisant pyGPlates26. L'angle d'inclinaison, \(\theta\), de la dalle descendante est pris à plusieurs intervalles de profondeur à l'intérieur de la tranchée (Fig. 2). L'angle d'inclinaison moyen, \(\theta _{\textrm{av}}\) est simplement la moyenne arithmétique de tous les intervalles de profondeur résolus par le modèle Slab2 orthogonal à la tranchée,

où d est l'intervalle de profondeur et n est le nombre total d'intervalles de profondeur qui peuvent être résolus par le modèle Slab2. L'ensemble du flux de travail pour calculer l'angle d'inclinaison à partir du modèle Slab2 ainsi que la rhéologie de la plaque et les paramètres cinématiques de la plaque de subduction sont librement disponibles sur GitHub (https://github.com/brmather/Slab-Dip). Les combinaisons de paramètres les plus significatives sur le plan statistique qui sont sensibles à l'angle d'inclinaison actuel des dalles de subduction sont décrites dans les sections suivantes.

Représentation schématique des pendages de la dalle et des paramètres de subduction. Le taux de convergence, \(v_c\), est la somme de la vitesse de la plaque de subduction, \(v_s\), et de la vitesse de la plaque supérieure, \(v_o\). Nous supposons que la vitesse de la plaque chevauchante et celle de la tranchée sont égales et opposées (\(v_o = -v_t\)). \(v_s\) et \(v_o\) sont positifs vers la tranchée et chaque vecteur est orthogonal à la tranchée. \(v_{\textrm{hsp}}\) est le taux de demi-étalement sur les dorsales médio-océaniques, qui est proportionnel au taux d'influx volatil (\(q_v\)) dans la plaque, et \(\theta\) est l'angle d'inclinaison des dalles de subduction calculé à différents intervalles.

Des études antérieures sur l'analyse multivariée des coefficients de subduction n'ont pas trouvé de relation statistiquement significative entre le pendage de la dalle et l'âge de la subduction de la lithosphère océanique8,9,13. Cependant, nous trouvons une relation significative où le pendage de la dalle est proportionnel à la vitesse de convergence, \(v_c\) (\(P=0,39\)), et à l'épaisseur de la plaque descendante, \(h_{\textrm{plate}}\) (\(P=0,59\)) (Fig. 3). L'épaisseur de la plaque a été prédite à partir de l'évolution thermique de la lithosphère océanique,

où \(\sqrt{\kappa t}\) dérive des modèles de refroidissement des plaques16,27. Ces modèles décrivent l'épaississement de la couche limite thermique en fonction de l'âge du fond marin, qui se rapproche d'une épaisseur maximale autour de 80 Myr pour un coefficient de diffusivité thermique constant de \(\kappa = 1\) mm\(^2\)/s. Nous utilisons un modèle de plaque de refroidissement de la lithosphère océanique, dont il a été démontré qu'il produit un ajustement optimal aux données de profondeur et de flux de chaleur, pour calculer l'épaisseur de la lithosphère océanique recyclée dans les tranchées à travers la Terre16. Le produit de l'épaisseur de la plaque, \(h_{\textrm{plate}}\), et de la vitesse de convergence, \(v_c\), intégrés le long d'un segment de tranchée donne le taux volumétrique de recyclage lithosphérique, ou "flux de dalle". Nous échantillonnons des grilles d'âge du fond marin aux limites des tranchées pour calculer l'épaisseur de la lithosphère océanique en subduction.

Corrélations entre le pendage de la dalle et la vitesse de convergence, l'épaisseur de la dalle et le taux d'étalement. Les histogrammes 2D illustrent la densité de probabilité entre chaque paramètre avec le pendage de la dalle pour tous les segments de zone de subduction tessellés par incréments de 0,5 degré (a–c) ; les segments de zone de subduction sont regroupés pour chaque zone de subduction avec des moustaches indiquant un écart type par rapport à la moyenne (d – f). \(P_r\) est la valeur du coefficient de corrélation de Pearson et P est la valeur p.

Le deuxième paramètre important à considérer est le taux d'avance ou de recul de la tranchée. Le recul de la dalle est largement considéré comme entraînant une subduction à faible angle et une stagnation de la dalle aux limites supérieure et inférieure du manteau12,28,29, ce qui explique en partie pourquoi des angles de subduction inférieurs sont plus largement observés dans les zones de subduction entre deux plaques océaniques, où le recul des tranchées est plus courant, que dans les zones de subduction océan-continent10. Le taux de migration des tranchées, \(v_t\), est calculé par rapport au référentiel du manteau et peut être comparé à la vitesse de convergence, \(v_c\), pour caractériser différentes dynamiques de subduction :

Si \(v_c = -v_t\) le taux de convergence entier est partitionné pour revenir en arrière ;

Si \(v_t = 0\) la tranchée est stationnaire et la vitesse de la plaque de subduction est égale à la vitesse de convergence (\(v_s = v_c\)) ;

Si \(v_t > 0\) la tranchée avance dans le sens de la subduction.

Un troisième paramètre que nous avons considéré est l'enrichissement volatil de la plaque de subduction. Une abondance accrue de composants volatils, tels que l'eau et le carbone, améliore le couplage entre la plaque de subduction et la plaque de chevauchement30. La source d'enrichissement en matières volatiles se trouve sur les dorsales médio-océaniques, où la fonte contenant des matières volatiles circule à travers des canaux dans la lithosphère océanique en formation31. Le taux de séquestration des matières volatiles dans la lithosphère océanique, \(q_v\), est proportionnel au taux de propagation du fond marin, \(v_{\textrm{hsp}}\)31. Nous échantillonnons des grilles de taux de propagation du fond marin, générées à l'aide des flux de travail in32, aux limites des tranchées de la même manière que nous interpolons les grilles d'âge pour calculer l'épaisseur de la plaque, \(h_{\textrm{plate}}\). Nous constatons que \(v_{\textrm{hsp}}\) présente une forte corrélation négative avec le pendage de la dalle (\(P=0,34\), Fig. 3c,f). Les volatils sont également ajoutés à la plaque par d'autres processus, tels que l'altération hydrothermale de la croûte supérieure33, la sépertinisation lors de l'étalement ultra-lent34, et lors de la flexion et de la fissuration de la plaque avant d'entrer dans la zone de subduction35, cependant, la relation de taux d'étalement que nous décrivons ci-dessus constitue la source la plus générale de volatils subductés dans la plupart des tranchées à l'échelle mondiale.

Un quatrième paramètre que nous avons considéré était la densité moyenne de la plaque de subduction. La flottabilité lithosphérique peut être estimée à partir de l'âge de la plaque, de la structure thermique, de l'épaisseur de la croûte et de l'épuisement36. La croûte terrestre est la principale source de flottabilité positive dans la lithosphère océanique en raison de sa densité relativement faible (\(\sim\) 2900 kg/m\(^3\))37. En supposant les conditions de température du manteau moderne, la lithosphère âgée de 10 à 20 Myr est négativement flottante36 et devient plus négativement flottante avec l'âge. Un segment de lithosphère océanique de 60 Myr mesure environ 79,4 km d'épaisseur16, dont 7 km de croûte, ce qui équivaut à une densité moyenne de \(\rho _{\textrm{av}} = 3278\) kg/m\(^3\). Alors que la flottabilité des plaques océaniques peut ne pas être suffisante pour initier la subduction seule38, les changements latéraux dans la structure de densité de la plaque descendante modifient la force de flottabilité dans les zones de subduction établies, ce qui peut affecter le pendage de la dalle. De telles anomalies de flottabilité positive sont associées aux plateaux océaniques qui encombrent souvent les zones de subduction39 ou conduisent à une subduction de dalle plate40.

En tenant compte de toutes ces relations rhéologiques et cinématiques pour les zones de subduction actuelles, nous avons appliqué une régression du plus proche voisin pour prédire l'angle d'inclinaison, \(\theta _{\textrm{av}}\), des dalles de subduction. Cette régression implémente un arbre kd pour rechercher efficacement le nombre k de voisins avec la distance euclidienne la plus courte entre l'ensemble de données d'apprentissage \(X_{\textrm{train}}\) et l'ensemble de données de test \(X_{\textrm{test}}\), et prend la moyenne pondérée des creux de dalle correspondants pour prédire le creux de dalle de test.

où \(d_k\) est la distance euclidienne entre les données d'apprentissage et de test pour k plus proches voisins, \(d_k = \Vert X_{\textrm{train}} - X_{\textrm{test}} \Vert _k\). En utilisant un sous-ensemble de la configuration actuelle des limites de subduction et des pendages de dalle obtenus à partir du modèle Slab2 comme ensemble de données de test, nous comparons les performances de la prédiction du pendage de la dalle par rapport à l'ensemble de données d'entraînement (Fig. 4). Le score d'apprentissage (valeur \(R^2\)) mesure l'étroitesse de l'ajustement entre l'ensemble de données d'apprentissage et de test, qui est au maximum de 1 pour \(k=1\). En effet, il existe une correspondance exacte entre l'ensemble de données de test et l'ensemble de données d'entraînement à l'heure actuelle. À mesure que k augmente, davantage de voisins sont incorporés dans la moyenne, ce qui réduit la valeur \(R^2\) et le score de validation croisée. La combinaison de ces deux métriques évalue les performances de l'estimateur de telle sorte que le problème n'est pas sur-ajusté ou sous-ajusté. Nous optons pour \(k=5\) où il existe un compromis optimal entre la validation croisée et les scores d'apprentissage.

Score de validation croisée et score d'entraînement (valeur \(R^2\)) pour l'algorithme de régression des plus proches voisins pour prédire l'angle d'inclinaison des dalles de subduction. L'algorithme est testé en utilisant un nombre croissant de voisins les plus proches (k) utilisés dans le calcul de l'Eq. 3. Les régions ombrées indiquent un écart type par rapport à la moyenne (lignes pleines). Le score de validation croisée est affiché sous forme de nombre négatif pour la clarté visuelle afin de comparer le compromis optimal avec le score de formation.

Nous avons développé un package Python flexible et orienté objet pour estimer le pendage de la dalle en fonction de la rhéologie de la plaque et des paramètres cinématiques actuels (https://github.com/brmather/Slab-Dip). L'algorithme de régression par défaut et l'ensemble de données de formation ont été décrits ci-dessus, cependant, l'utilisateur peut également définir son propre ensemble de données de formation et tout algorithme de régression inclus dans le package Python scikit-learn pour créer un estimateur de pendage de dalle sur mesure. Le référentiel GitHub contient plusieurs exemples fournis sous forme de notebooks Jupyter pour l'utilisateur ainsi que des instructions d'installation. La régression des plus proches voisins que nous avons choisie est générale et établit un lien robuste entre les propriétés actuelles des plaques en subduction et celles à travers le temps profond. Bien qu'il puisse ne pas être applicable dans des contextes géodynamiques spécifiques qui diffèrent de ceux qui fonctionnent à l'heure actuelle, il encapsule certains des principaux moteurs de la subduction qui sont prédits par la théorie de la tectonique des plaques, tels que la relation entre l'âge du fond marin, l'épaisseur de la dalle, la migration des tranchées et la vitesse de convergence. Cela reconnaît que la force d'aspiration de la dalle, associée aux dalles denses plus anciennes qui s'enfoncent brusquement dans le manteau, entraîne la vitesse des plaques tectoniques à la surface de la Terre, et une augmentation de la quantité de recul conduit à un aplatissement de la dalle descendante.

Il est important de noter que la relation que nous avons formulée prédit le pendage de la dalle jusqu'à la profondeur maximale résolue par le modèle Slab2. La trajectoire de la dalle descendant dans le manteau peut s'écarter des profondeurs de dalle prédites car elle rencontre des contrastes de viscosité dans le manteau, ce qui conduit parfois à une stagnation de la dalle41,42 et potentiellement à un ancrage de la dalle43. Ces dynamiques ne sont pas capturées par notre régression, ce qui peut empêcher son application à des zones de subduction spécifiques sur une plage de temps nominale. Néanmoins, notre formulation de pendage de dalle est valable pour la plupart des zones de subduction dans le monde et présente l'avantage de pouvoir être appliquée à travers le temps géologique profond en utilisant des reconstructions de plaques tectoniques pour prédire la trajectoire des dalles de subduction dans le manteau. Cela peut être utilisé pour estimer la distance entre les tranchées et les arcs volcaniques, l'incidence de la subduction des dalles plates et le recyclage de la lithosphère océanique dans les parties plus profondes du manteau.

Les kimberlites sont des roches volcaniques qui remontent rapidement du manteau et se mettent en place dans les cratons du monde entier2. Les éruptions de kimberlites ont été associées à des remontées d'eau du manteau du LLSVP4 et à une tectonique extensionnelle associée à un déchargement lithosphérique44 ou à des changements de vitesse des plaques3. Cependant, ces mécanismes n'expliquent pas les fortes signatures de dalles subductées observées dans les kimberlites du Crétacé en Afrique, au Brésil et en Amérique du Nord en raison de l'augmentation des rapports strontium-isotope1,5. Alors que les kimberlites africaines présentent une relation statistiquement significative avec la distance aux LLSVP, les kimberlites d'Amérique du Nord n'ont pas une telle relation (Fig. 5). En revanche, les éruptions de kimberlites en Amérique du Nord ont été liées à la subduction plate de la plaque Farallon au cours de l'orogenèse Laramide45. Ici, le magma peut avoir été généré à partir de la fusion par décompression à flux d'eau de la zone de transition du manteau46 et transporté vers le haut par le flux de retour du manteau induit par la subduction47. Un flux de dalle élevé a déjà été lié à la fréquence des éruptions volcaniques, où les remontées d'eau du manteau sont entraînées par de grands volumes de lithosphère océanique subductés dans le manteau48. Les remontées d'eau du manteau induites par la subduction ont été liées à la formation de la grande province ignée 260 Ma d'Emeishan dans le sud-ouest de la Chine49 et au volcanisme cénozoïque dans le nord-est de la Chine50. Pour réconcilier le rôle de la subduction dans la génération de populations de kimberlites distinctes en Afrique et en Amérique du Nord, nous avons séparé les composantes verticales et horizontales du flux de dalles en utilisant notre formulation de pendage de dalles dans la section précédente, et avons reconstruit les limites de subduction globales à l'aide de pyGPlates26. Nous avons utilisé un modèle de plaque de 170 Myr, modifié à partir de15, avec des limites de zone de subduction nettement améliorées le long de la marge ouest de l'Amérique du Nord et une résolution améliorée de la plaque des Caraïbes51 (voir Méthodes). Les emplacements des kimberlites \(\le\) 170 Ma ont été reconstruits jusqu'à leur moment d'éruption, à l'aide d'une compilation de kimberlites avec des âges d'éruption52 que nous avons rééchantillonnés en un maillage icosoédrique raffiné 3 fois53 pour éviter la duplication et le biais d'échantillonnage géographique. Nous avons ensuite séparé les kimberlites en populations (i) nord-américaines et (ii) africaines. Combinées, ces populations de kimberlites constituent 91 % de l'ensemble de données mondial sur les kimberlites qui ont éclaté au cours des 250 à 50 derniers millions d'années, appelées "prolifération de kimberlites"3. En comparant le moment des éruptions de kimberlite avec les taux de flux de dalles, nous ne considérons que les tranchées où la subduction se fait dans la direction des populations de kimberlite. Nous trouvons une forte corrélation entre le flux élevé de dalles le long de la marge ouest de l'Amérique du Nord et de l'Amérique centrale, associé à la subduction de la plaque Farallon, avec les populations de kimberlites africaines et nord-américaines (Fig. 6a). Le faible angle de subduction (30–35\(^\circ\)) prédit à partir de notre analyse du pendage des dalles sur les zones de subduction reconstruites indique que les dalles s'étendraient à plus de 1 000 km de la tranchée avant de croiser la zone de transition du manteau de 660 km, et pourraient pénétrer plus profondément dans le manteau inférieur. La subduction rapide du matériau de la dalle peut produire un écoulement de retour du manteau35, à partir duquel les remontées d'eau du manteau peuvent entraîner des éruptions de kimberlite. Dans les sections suivantes, nous explorons comment le flux de retour du manteau induit par la subduction à partir de taux élevés de flux de dalles peut être lié aux éruptions de kimberlite en Afrique et en Amérique du Nord.

Association spatio-temporelle entre les éruptions kimberlitiques et les limites LLSVP. (a) Anomalie de vitesse des ondes de cisaillement du modèle de tomographie SMEAN254 superposée à la distribution spatiale des kimberlites (diamants) reconstruites à leur âge d'éruption. Nous définissons les limites LLSVP comme le contour lent à 1% de la tranche de profondeur de 2800 km à partir de la variation de vitesse qui est représentée par la ligne pointillée rouge. Les côtes actuelles sont ajoutées à titre de référence. La carte a été générée à l'aide de Cartopy21. (b) Fonction de densité cumulée de la distance entre les limites du LLSVP et les populations de kimberlites en Afrique et en Amérique du Nord avec des emplacements continentaux aléatoires à l'heure actuelle et reconstruite à 170 Ma lorsque le supercontinent de la Pangée a été assemblé. Les kimberlites africaines ont une relation statistiquement significative avec les limites du LLSVP, contrairement aux kimberlites nord-américaines.

Une forte corrélation existe entre le flux de dalles et la fréquence des éruptions de kimberlites lors du pic des éruptions de kimberlites africaines entre 120 et 130 Ma (Fig. 6b). La subduction a persisté le long de la marge ouest du supercontinent Pangée au cours de son assemblage jusqu'à ce que le rift commence entre l'Afrique et l'Amérique du Sud à environ 120 Ma (Fig. 7). De 160 à 120 Ma, deux pics d'éruptions de kimberlites sont en corrélation avec des impulsions de flux de dalle élevé de la plaque de Farallon en subduction sous les Amériques qui a plongé de 30 à 35 \(^\circ\) dans le manteau. Le plus grand pic d'éruptions de kimberlite à 120 Ma correspond à un flux de plaques de 60 km\(^3\)/an. Un deuxième pic d'éruptions de kimberlites africaines s'est produit entre 80 et 90 Ma, ce qui correspond à une deuxième impulsion du flux de dalles (jusqu'à 80 km\(^3\)/an) et à un maximum de vitesse des plaques (6 cm/an) à mesure que le taux de propagation du fond marin augmente entre l'Afrique et l'Amérique du Sud (Fig. 6b). Bien qu'il ait été démontré que les panaches du manteau associés au LLSVP ont érodé une proportion importante de la lithosphère cratonique en Afrique55 et peuvent être associés à certaines éruptions de kimberlites4, cela n'explique pas les signatures de subduction dans les kimberlites ni le moment de leur éruption.

Nous proposons qu'un réservoir de dalles recyclées occupe le manteau de la subduction omniprésente lors de l'assemblage de la Pangée, ce qui entraîne la déshydratation de la fonte du manteau sus-jacent lorsque l'eau entraînée avec les dalles froides est libérée56. Puis, alors que la Pangée commence à se disloquer, la subduction rapide du matériau de la dalle à un angle faible entraîne le flux de retour du manteau depuis ce réservoir fertile du manteau pour entraîner des éruptions de kimberlite. Étant donné que les dalles de subduction influencent la structure du manteau profond, déclenchant potentiellement un flux de panache accru sur les bords du LLSVP7 africain, cela pourrait accélérer la livraison de la fonte influencée par les dalles du manteau inférieur le plus élevé à la surface correspondant à une fréquence accrue des éruptions de kimberlite à 120 Ma. Cela peut être similaire à un processus contribuant à la formation de la grande province ignée de 260 Ma d'Emeishan, où l'océan Paléo-Téthys recyclé sous le sud-ouest de la Chine a été proposé pour induire des remontées d'eau à grande échelle du manteau à partir de 410 à 660 km de profondeur49. La deuxième impulsion des éruptions de kimberlite à 80–90 Ma ne peut pas être facilement liée au flux de dalles en raison de la grande distance de la zone de subduction la plus proche après l'ouverture de l'océan Atlantique Sud (Fig. 7. Au lieu de cela, une augmentation de la vitesse des plaques africaines exposerait plus de lithosphère cratonique aux remontées d'eau du manteau connectées au LLSVP, augmentant ainsi la fréquence d'éruption de la kimberlite3,4 (Fig. 6b).

Relation entre la densité d'éruption de kimberlite, le flux de dalles et la vitesse des plaques sur 170 millions d'années. (a) Les impulsions dans les éruptions combinées de kimberlite sont en corrélation avec les périodes de flux élevé de dalles de la plaque Farallon à pendage est le long de la marge ouest de l'Amérique du Nord. Le faible angle d'inclinaison de la subduction (30–35\(^\circ\)) prédit à partir de notre analyse est indiqué par une forte composante latérale du flux de dalle. (b) le premier pic d'éruptions de kimberlites africaines est corrélé à un flux de dalles élevé entre 120 et 130 Ma lorsque la Pangée s'est dispersée ; le deuxième pic à 80–90 Ma s'explique plus probablement par une augmentation de la vitesse des plaques africaines3 que par le flux de dalles en raison de la distance accrue entre les Amériques et l'Afrique depuis l'ouverture de l'océan Atlantique Sud. (c) Les impulsions dans les éruptions de kimberlite nord-américaines sont étroitement corrélées aux impulsions dans le flux de dalles intégrées le long des zones de subduction à pendage est dans un rayon de 2500 km de l'éruption de kimberlite la plus proche en Amérique du Nord, sans corrélation observée avec la vitesse des plaques.

Évolution de l'angle de pendage de la dalle dans les zones de subduction globale de 160 Ma à nos jours, superposée à la distribution spatiale des éruptions kimberlitiques. Un grand pic de flux de dalles et de densité d'éruption de kimberlite se produit à 120 Ma lors de l'éclatement du supercontinent Gondwana, et un deuxième pic (plus petit) à 80 Ma associé au retrait de la dalle plate de Farallon de la base de la lithosphère continentale dominante en Amérique du Nord. Les régions blanches indiquent la croûte non océanique, les régions grises indiquent les côtes actuelles. Les cartes ont été générées à l'aide de Cartopy21. Une série chronologique complète de 170 Ma à 0 Ma est disponible sous forme d'animation dans Movie S1.

A second population of kimberlite eruptions occurred between 110 and 40 Ma while North America migrated westward during the opening of the North Atlantic Ocean. It has been proposed that the dehydration of hydrous minerals stored within the flat-subducting Farallon plate promoted magmatism and kimberlite generation approximately 1500 km from the nearest trench45, however, geodynamic models suggest that flat subduction inhibits arc magmatism as the release and convection of fluids from the slab are obstructed by the asthenospheric wedge57. From our reconstructions of slab dip, the average dip angle along the western margin of North America varies between 30 and 36\(^\circ\) and the slab flux predicts the peaks and troughs in kimberlite eruption frequency between 110 and 40 Ma (Fig. 6c). Slab dip is spatially and temporally variable along North American subduction boundaries during the Laramide period, which has been attributed to the flat subduction of the Shatsky Rise conjugate on the northernmost section of the Farallon plate40. Its subduction predicts the distribution of magmatic and amagmatic zones in North America. From 95 to 60 Ma, the subduction of relatively young seafloor (5–50 Ma) combined with subduction of the buoyant conjugate Shatsky Rise leads to flat slab subduction beneath central USA58 (Fig. 7). The distribution of kimberlite eruptions during this period are focused in Canada and the south of North America on either side of the conjugate (Fig. 8). Abrupt changes in subduction angles could be accommodated by slab tears adjacent to the Arizona–New-Mexico magmatic belt57. It is likely that melts associated with the dehydration of recycled slab material in the mantle transition zone were delivered to the surface through subduction-induced return flow47. Removal of the flat Farallon slab from the base of overriding continental lithosphere at 50 Ma2.3.CO;2 (1995)." href="/articles/s41598-023-36250-w#ref-CR59" id="ref-link-section-d50653224e2584">59 stimulerait davantage le flux de retour du manteau, déclenchant des éruptions de kimberlite plus étendues qui se produisent dans l'ancienne zone amagmatique du centre des États-Unis (Fig. 6c).

Évolution de la subduction de dalles plates le long de l'Amérique du Nord. (a) La subduction en dalle plate de la plaque de Farallon est causée par la montée de Shatsky qui pénètre dans la tranchée à 95 Ma. (b) Une grande partie du conjugué Shatsky est consommée par 70 Ma, date à laquelle le Farallon recouvre une grande partie du centre des États-Unis, produisant un soulèvement tectonique associé à l'orogenèse Laramide. (c) À 50 Ma, la plaque de Farallon est retirée de la base de la lithosphère continentale dominante, ce qui entraîne des éruptions de kimberlite généralisées. Les polygones noirs indiquent les grandes provinces ignées reconstruites, les polygones gris indiquent les conjugués LIP inférés, les flèches indiquent la vitesse absolue de la plaque. Les cartes ont été générées à l'aide de Cartopy21.

La dichotomie de l'éruption de la kimberlite entre les populations africaines et nord-américaines est importante car, bien que le mécanisme de flux de retour du manteau soit cohérent, la stimulation des régions sources dans le manteau est différente. En Afrique, le flux de retour du manteau associé aux dalles en subduction avait probablement stimulé les remontées d'eau le long des bords du LLSVP et revigoré un réservoir fertile du manteau dérivé des restes de dalles en train de couler laissés par l'assemblage de la Pangée, ce qui explique les signatures de subduction observées dans cette population de kimberlites du Crétacé. La deuxième impulsion d'éruptions de kimberlites africaines à 80–90 Ma est probablement liée à une augmentation de la vitesse des plaques alors que l'Afrique migre sur les remontées associées au LLSVP3. Pendant ce temps, les éruptions de kimberlites en Amérique du Nord sont entraînées par le flux de retour du manteau supérieur dans les régions adjacentes à la subduction plate de Shatsky Rise et dans la région affectée par l'orogenèse Laramide suite au retrait de la dalle plate sous l'Amérique du Nord. Il est important de noter que les deux populations de kimberlites sont liées à la subduction rapide de la plaque Farallon à faible angle sous les Amériques, ce qui suggère que cette plaque joue un rôle important dans la conduite du volcanisme induit par les remontées d'eau. On ne sait pas si la dalle de Farallon est imprégnée d'un fort enrichissement en composés volatils, tels que H\(_2\)O qui abaisse la température du solidus favorisant la fusion partielle et la génération de magma45, ou si elle stimule les réservoirs préexistants du manteau fertile. Néanmoins, cette étude met en évidence l'importance de la subduction sur la génération de kimberlites et remet en question les conceptions antérieures selon lesquelles les kimberlites sont principalement générées par les panaches du manteau.

L'angle d'inclinaison de la lithosphère océanique en subduction est un paramètre clé qui caractérise la dynamique du manteau et des continents dans les zones de subduction. Nous proposons un cadre simple pour prédire le pendage de la dalle à partir de l'épaisseur de la dalle descendante, du taux de convergence, du taux de migration des tranchées, de la densité et de l'enrichissement volatil de la dalle. L'application de ce cadre aux reconstructions de plaques fournit de nouvelles informations sur la dynamique des zones de subduction passées, la distribution spatiale du volcanisme d'arc à travers le temps géologique profond et le sort des dalles subductées. À l'aide de ce cadre prédictif, nous reconstruisons l'angle d'inclinaison de la dalle des segments de la zone de subduction au cours des 170 derniers millions d'années pour aider à expliquer les impulsions dans les éruptions de kimberlite. Des taux de subduction élevés stimulent le flux de retour du manteau, ce qui favorise la fonte partielle et la génération de magma. Les éruptions de kimberlites en Afrique et en Amérique du Nord sont liées à la subduction de la plaque Farallon sous les Amériques. En Afrique, les pics d'éruptions de kimberlites présentent une forte corrélation avec le flux élevé de dalles au cours des étapes initiales de l'éclatement du supercontinent et les vitesses élevées des plaques (jusqu'à 6 cm/an) lorsque l'Afrique migre sur le LLSVP. En Amérique du Nord, la subduction du conjugué Shatsky Rise de 95 à 50 Ma entraîne une subduction plate sous le centre des États-Unis, associée à l'orogenèse Laramide, qui limite le magmatisme aux bords de la dalle plate jusqu'à son retrait de la base de la lithosphère après 50 Ma. Nos résultats mettent en évidence le rôle important de l'angle de subduction dans la modulation du flux horizontal de la dalle et, par conséquent, la distribution et la synchronisation du volcanisme. Cela aide à expliquer la dichotomie des populations de kimberlites en Afrique et en Amérique du Nord et a des implications importantes pour la formation d'anciennes kimberlites en Australie, en Inde et en Amérique du Sud qui peuvent s'expliquer par des reconstructions de pendage de dalle à travers des temps géologiques profonds.

Le modèle de plaque utilisé dans cet article a été modifié à partir d'un modèle récemment publié15 comme suit. Les zones de subduction auxquelles aucun mouvement n'était assigné étaient initialement stationnaires dans le temps; de nouveaux mouvements ont été assignés à ceux-ci par rapport au circuit global des plaques pour modéliser le retrait modéré des tranchées tout en restant cohérent avec les contraintes tomographiques. La plaque Orcas a été divisée en deux plaques distinctes à 170–130 Ma, conformément à sa configuration après 130 Ma, afin de tenir compte de la divergence aux limites des plaques. La plaque des Caraïbes a également été divisée par un nouveau centre d'étalement d'arrière-arc à 140-120 Ma, pour permettre la formation de la grande province ignée des Caraïbes sur une dorsale d'étalement51. Enfin, le modèle de mouvement absolu des plaques a été contraint à l'aide d'un workflow d'optimisation itératif24. Une archive ZIP contenant des fichiers de reconstruction de plaque à utiliser dans GPlates est disponible sur Zenodo (doi.org/10.5281/zenodo.5769002).

Les ensembles de données générés et/ou analysés au cours de la présente étude sont disponibles dans le référentiel Zenodo, https://doi.org/10.5281/zenodo.5831990. Une série de cahiers Jupyter contenant un flux de travail Python pour calculer le pendage de la dalle à l'aide d'un modèle de reconstruction de plaque est également disponible sur Zenodo via https://doi.org/10.5281/zenodo.5831990 et GitHub (https://github.com/brmather/Slab-Dip). Le logiciel de reconstruction de plaques, GPlates et pyGPlates, est disponible gratuitement sur www.gplates.org/download.

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Cette étude a été soutenue par le nœud AuScope Simulation, Analysis & Modeling financé par le gouvernement australien par le biais de la National Collaborative Research Infrastructure Strategy, NCRIS. Nous reconnaissons avec gratitude le financement de l'Australian Research Council par le biais de la subvention DP200100966 (MS).

EarthByte Group, École des géosciences, Université de Sydney, Sydney, 2006, Australie

Ben R. Mather, R. Dietmar Müller, Christopher P. Alfonso, Maria Seton et Nicky M. Wright

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BM a conçu l'idée, développé les outils Python, généré les figures et rédigé le manuscrit. RDM a conçu l'idée et les applications de la formulation de trempage de dalle pour expliquer les éruptions de kimberlite. CPA a amélioré la reconstruction tectonique en Amérique du Nord et a fourni des grilles d'âge et des grilles de taux de propagation du fond marin. MS a conçu les expériences et amélioré le manuscrit. NMW a fourni les reconstructions de grandes provinces ignées.

Correspondance à Ben R. Mather.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent

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Réimpressions et autorisations

Mather, BR, Müller, RD, Alfonso, CP et al. Éruptions de kimberlite entraînées par le flux de dalle et l'angle de subduction. Sci Rep 13, 9216 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36250-w

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Reçu : 25 octobre 2022

Accepté : 30 mai 2023

Publié: 06 juin 2023

DOI : https://doi.org/10.1038/s41598-023-36250-w

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