Experimental evidence for the shallow production of phonolitic magmas at Mayotte

Since May 2018 till the end of 2021, Mayotte island has been the locus of a major submarine volcanic eruption characterized by the offshore emission of more than 6.5 km of basanitic magma. The eruption occurred along a WNW–ESE trending submarine ridge on the east flank of the island where, in addition, several seemingly recent phonolitic bodies were also identified close to the island. To define realistic scenarios of magma ascent and potentially predict the style of an upcoming event, it is crucial to have a precise understanding on the plumbing system operating below volcanoes. The putative relationships between basanites emitted by the new volcano and these recent phonolites have been experimentally explored by performing crystallization experiments on a representative basanite over a large range of pressures (up to 400 MPa). The results show that the crystallization of basanite at crustal levels (12–15 km) yields a phonolitic residual liquid containing up to 3–4 wt% after 65 wt% of an assemblage of olivineplagioclaseamphiboleclinopyroxenebiotitemagnetiteilmeniteapatite. The final iron content of the residual phonolitic liquids is strongly controlled by the depth/pressure of fractionation. Fe-rich phonolites from the submarine ridge are produced at 6–8 km depth, while a shallower differentiation (4–5 km) results in the production of liquids with trachyte–benmoreite affinities. If the fractionation process occurs at depths higher than 8 km, the resulting phonolitic melts are progressively enriched in – but depleted in FeO*, ie unlike those erupted. We therefore conclude that phonolitic magma production and storage at Mayotte is a rather shallow process.Depuis mai 2018 et jusqu’à la fin de l’année 2021, l’île de Mayotte a été le scenario d’une éruption volcanique sous-marine majeure caractérisée par l’émission en mer de plus de 6,5 km de magma basanitique. L’éruption s’est produite le long d’une ride sous-marine orientée ONO–ESE sur le flanc est de l’île où, entre autre, plusieurs corps phonolitiques d’ aspect récent ont également été identifiés à proximité de l’île. Pour définir des scénarios réalistes d’ascension du magma et potentiellement prévoir le style d’un événement à venir, il est crucial d’avoir une compréhension précise du système de plomberie magmatique opérant sous les volcans. Les relations génétiques potentielles entre les basanites émises par le nouveau volcan et ces phonolites récentes ont été explorées expérimentalement en effectuant des expériences de cristallisation sur une basanite représentative, et ce sur une large gamme de pressions (jusqu’à 400 MPa). Les résultats montrent que la cristallisation de la basanite à des profondeurs crustales (12–15 km) produit un liquide résiduel phonolitique contenant jusqu’à 3–4 % en poids (pd.%) de HO, après la précipitation d’au moins 65 pd.% d’un assemblage d’olivineplagioclaseamphiboleclinopyroxènebiotitemagnétiteilméniteapatite. La teneur finale en fer des liquides phonolitiques résiduels est fortement contrôlée par la profondeur/pression de cristallisation. Les phonolites riches en fer de la dorsale sous-marine sont produites à 6–8 km de profondeur, tandis qu’une différenciation moins profonde (4–5 km) entraîne la production de liquides à affinités trachyte–benmoreite. Si le processus de fractionnement se produit à des profondeurs supérieures à 8 km, les liquides phonolitiques résultants sont progressivement enrichis en SiO–AlO mais appauvris en FeO*, c’est-à-dire différents des phonolites naturelles. Nous concluons donc que la production et le stockage de magma phonolitique à Mayotte est un processus plutôt superficiel

Strain localization in oceanic detachment faults : the extreme case of a magma-starved slow spreading ridge

La partie orientale de la dorsale sud-ouest indienne est particulièrement pauvre en apports magmatiques et constitue de ce fait un laboratoire naturel pour étudier l'accrétion océanique dans une configuration extrême, pour laquelle la divergence des plaques est presque complètement accommodée par le jeu de failles normales à grand rejet. Ces failles, également appelées failles de détachement, exhument des péridotites serpentinisées d'origine mantellaire sur le plancher océanique. Les mécanismes de déformation des roches mantelliques au cours de leur exhumation, avant leur passage dans le domaine de circulation de fluides hydrothermaux, sont peu connus. Nous avons étudié les textures de déformation et les mécanismes de localisation, ainsi que les assemblages minéralogiques associés, dans un corpus de presque 400 échantillons de péridotites serpentinisées draguées pendant la campagne SMoothSeafloor (2010). Tous les échantillons présentent à des degrés variables une déformation hétérogène combinant des mécanismes de déformation cassants (fractures, kinks) et plastiques (extinction ondulante, sous-joints, recristallisation dynamique). L’une des manifestations de cette déformation est la recristallisation syntectonique d’olivines et de pyroxènes au sein de kinks et de microfractures. Ces textures résultent de conditions de hautes contraintes et hautes températures en base de lithosphère, dans la zone d’enracinement des détachements. Ces observations microstructurales ont été intégrées dans un modèle thermomécanique 2D du domaine axial des dorsales lentes, qui explore deux mécanismes d'affaiblissement observés dans les échantillons: la serpentinisation (800°C). La combinaison de ces deux mécanismes permet la reproduction de failles de détachement dans une lithosphère épaisse (20-25 km), avec un relief et une fréquence qui sont consistantes avec celles observées sur notre zone d'étude.The Southwest Indian Ridge in its eastern part has particularly low magmatic inputs and is therefore a natural laboratory to study oceanic accretion in an extreme configuration for which the divergence of the plates is almost completely accommodated by large offset normal faults, also called detachment faults. These faults exhume mantle-derived peridotites. Very little is known about the deformation mechanisms that operate at the lower levels of the lithosphere, prior to serpentinization.We studied the deformation textures, analyze strain localization mechanisms, as well as mineralogical assemblages associated with these mechanisms from a corpus of almost 400 samples of serpentinized peridotites dredged during the SMoothSeafloor cruise (2010). All samples display heterogeneous deformation combining brittle (fracturation, kinks) and plastic mechanisms (undulose extinction, subgrain boundaries, dynamic recrystallization). For example, microfracturation and kinks are locally accompanied by partial recrystallization of the primary minerals into fine-grained aggregates along orthopyroxene grains. These textures result from high stress and high temperature conditions at the base of the lithosphere, where the root of the active detachment.We use these microstructural observations to constrain a 2D thermomechanical model of lithospheric extension, in which we explore two weakening mechanisms seen in the samples: serpentinization (temperatures 800°C). Combining the two, we develop detachment faults in a thick lithospheric context (20-25 km), with fault topography and offsets that are consistent with geological observations in the eastern SWIR

Modes de localisation des déformations dans les Failles de détachement océaniques : le cas extrême d'une dorsale lente à très faible budget magmatique

The Southwest Indian Ridge in its eastern part has particularly low magmatic inputs and is therefore a natural laboratory to study oceanic accretion in an extreme configuration for which the divergence of the plates is almost completely accommodated by large offset normal faults, also called detachment faults. These faults exhume mantle-derived peridotites. Very little is known about the deformation mechanisms that operate at the lower levels of the lithosphere, prior to serpentinization.We studied the deformation textures, analyze strain localization mechanisms, as well as mineralogical assemblages associated with these mechanisms from a corpus of almost 400 samples of serpentinized peridotites dredged during the SMoothSeafloor cruise (2010). All samples display heterogeneous deformation combining brittle (fracturation, kinks) and plastic mechanisms (undulose extinction, subgrain boundaries, dynamic recrystallization). For example, microfracturation and kinks are locally accompanied by partial recrystallization of the primary minerals into fine-grained aggregates along orthopyroxene grains. These textures result from high stress and high temperature conditions at the base of the lithosphere, where the root of the active detachment.We use these microstructural observations to constrain a 2D thermomechanical model of lithospheric extension, in which we explore two weakening mechanisms seen in the samples: serpentinization (temperatures 800°C). Combining the two, we develop detachment faults in a thick lithospheric context (20-25 km), with fault topography and offsets that are consistent with geological observations in the eastern SWIR.La partie orientale de la dorsale sud-ouest indienne est particulièrement pauvre en apports magmatiques et constitue de ce fait un laboratoire naturel pour étudier l'accrétion océanique dans une configuration extrême, pour laquelle la divergence des plaques est presque complètement accommodée par le jeu de failles normales à grand rejet. Ces failles, également appelées failles de détachement, exhument des péridotites serpentinisées d'origine mantellaire sur le plancher océanique. Les mécanismes de déformation des roches mantelliques au cours de leur exhumation, avant leur passage dans le domaine de circulation de fluides hydrothermaux, sont peu connus. Nous avons étudié les textures de déformation et les mécanismes de localisation, ainsi que les assemblages minéralogiques associés, dans un corpus de presque 400 échantillons de péridotites serpentinisées draguées pendant la campagne SMoothSeafloor (2010). Tous les échantillons présentent à des degrés variables une déformation hétérogène combinant des mécanismes de déformation cassants (fractures, kinks) et plastiques (extinction ondulante, sous-joints, recristallisation dynamique). L’une des manifestations de cette déformation est la recristallisation syntectonique d’olivines et de pyroxènes au sein de kinks et de microfractures. Ces textures résultent de conditions de hautes contraintes et hautes températures en base de lithosphère, dans la zone d’enracinement des détachements. Ces observations microstructurales ont été intégrées dans un modèle thermomécanique 2D du domaine axial des dorsales lentes, qui explore deux mécanismes d'affaiblissement observés dans les échantillons: la serpentinisation (800°C). La combinaison de ces deux mécanismes permet la reproduction de failles de détachement dans une lithosphère épaisse (20-25 km), avec un relief et une fréquence qui sont consistantes avec celles observées sur notre zone d'étude

Erratum to "How do detachment faults form at ultraslow mid-ocean ridges in a thick axial lithosphere?" [Earth Planet. Sci. Lett. 533 (2020) 116048]

The Publisher regrets that an error occurred in the representation of Fig. 8, this should appear as follows

How do detachment faults form at ultraslow mid-ocean ridges in a thick axial lithosphere?

International audienc

On spreading modes and magma supply at slow and ultraslow mid-ocean ridges

The ultraslow eastern Southwest Indian Ridge (SWIR) offers an opportunity to study the effect of magma supply on an ultraslow mid-ocean ridge starting from quasi-melt-free detachment-dominated spreading, and transitioning to volcanic spreading as one nears prominent axial volcanos. Detachments in the quasi melt-free mode extend along-axis 60 to 95 km and have a lifetime of 0.6 to 1.5 myrs. They cut into their predecessor's footwall with an opposite polarity, causing part of the footwall lithosphere to experience further deformation, hydrothermal alteration, sparse magmatism and possibly thermal rejuvenation, in a hanging wall position. The accretion of the oceanic lithosphere in this context therefore occurs in two distinct stages over the lifetime of two successive detachment faults. We examine the transition from this nearly amagmatic detachment-dominated mode to the more common volcanic mode of spreading, showing that it occurs along-axis over distances <= 30 km. It involves a significant thinning of the axial lithosphere and a gradual decrease of the amount of tectonic displacement on faults, as the magmatic contribution to the divergence of the two plates increases. We develop a conceptual model of this transition, in which magma plays a double role: it fills the space between the diverging plates, thus reducing the need for displacement along faults, and it modifies the thermal state and the rheology of the plate boundary, affecting its thickness and its tectonic response to plate divergence. Based on a comparison of the ultraslow eastern SWIR, with the faster spreading Mid-Atlantic Ridge, we show that the activation of the volcanic, or of the detachment-dominated modes of spreading is connected with the volume of magma supplied per increment of plate separation, over a range of axial lithosphere thickness, and therefore over a range of the M ratio defined by (Buck et al., 2005) as the relative contribution of magma and faults to plate divergence (M is smaller, for a given volume of melt per increment of plate separation, if the plate is thicker). We therefore propose that M does not fully explain the variability in faulting styles observed at slow and ultraslow ridges and propose that rheological changes induced by magma also play a key role (melt itself is weak, hydrothermally altered gabbro-peridotite mixtures are weak, and melt heat sustains more vigorous hydrothermal circulation), resulting in contrasted potentials for strain localization, footwall flexure on faults and the development of detachment faults. (C) 2019 Elsevier B.V. All rights reserved

Fluid-assisted grain size reduction leads to strain localization in oceanic transform faults

Oceanic Transform Faults are major plate boundaries representing the most seismogenic part of the mid ocean ridge system. Nonetheless, their structure and deformation mechanisms at depth are largely unknown due to rare exposures of deep sections. Here we study the mineral fabric of deformed mantle peridotites - ultramafic mylonites - collected from the transpressive Atobá ridge, along the northern fault of the St. Paul transform system in the Equatorial Atlantic Ocean. We show that, at pressure and temperature conditions of the lower oceanic lithosphere, the dominant deformation mechanism is fluid-assisted dissolution-precipitation creep. Grain size reduction during deformation is enhanced by dissolution of coarser pyroxene grains in presence of fluid and contextual precipitation of small interstitial ones, leading to strain localization at lower stresses than dislocation creep. This mechanism potentially represents the dominant weakening factor in the oceanic lithosphere and a main driver for the onset and maintenance of oceanic transform faults

Experimental evidence for the shallow production of phonolitic magmas at Mayotte

Since May 2018 till the end of 2021, Mayotte island has been the locus of a major submarine volcanic eruption characterized by the offshore emission of more than 6.5 km of basanitic magma. The eruption occurred along a WNW–ESE trending submarine ridge on the east flank of the island where, in addition, several seemingly recent phonolitic bodies were also identified close to the island. To define realistic scenarios of magma ascent and potentially predict the style of an upcoming event, it is crucial to have a precise understanding on the plumbing system operating below volcanoes. The putative relationships between basanites emitted by the new volcano and these recent phonolites have been experimentally explored by performing crystallization experiments on a representative basanite over a large range of pressures (up to 400 MPa). The results show that the crystallization of basanite at crustal levels (12–15 km) yields a phonolitic residual liquid containing up to 3–4 wt% after 65 wt% of an assemblage of olivineplagioclaseamphiboleclinopyroxenebiotitemagnetiteilmeniteapatite. The final iron content of the residual phonolitic liquids is strongly controlled by the depth/pressure of fractionation. Fe-rich phonolites from the submarine ridge are produced at 6–8 km depth, while a shallower differentiation (4–5 km) results in the production of liquids with trachyte–benmoreite affinities. If the fractionation process occurs at depths higher than 8 km, the resulting phonolitic melts are progressively enriched in – but depleted in FeO*, ie unlike those erupted. We therefore conclude that phonolitic magma production and storage at Mayotte is a rather shallow process.Depuis mai 2018 et jusqu’à la fin de l’année 2021, l’île de Mayotte a été le scenario d’une éruption volcanique sous-marine majeure caractérisée par l’émission en mer de plus de 6,5 km de magma basanitique. L’éruption s’est produite le long d’une ride sous-marine orientée ONO–ESE sur le flanc est de l’île où, entre autre, plusieurs corps phonolitiques d’ aspect récent ont également été identifiés à proximité de l’île. Pour définir des scénarios réalistes d’ascension du magma et potentiellement prévoir le style d’un événement à venir, il est crucial d’avoir une compréhension précise du système de plomberie magmatique opérant sous les volcans. Les relations génétiques potentielles entre les basanites émises par le nouveau volcan et ces phonolites récentes ont été explorées expérimentalement en effectuant des expériences de cristallisation sur une basanite représentative, et ce sur une large gamme de pressions (jusqu’à 400 MPa). Les résultats montrent que la cristallisation de la basanite à des profondeurs crustales (12–15 km) produit un liquide résiduel phonolitique contenant jusqu’à 3–4 % en poids (pd.%) de HO, après la précipitation d’au moins 65 pd.% d’un assemblage d’olivineplagioclaseamphiboleclinopyroxènebiotitemagnétiteilméniteapatite. La teneur finale en fer des liquides phonolitiques résiduels est fortement contrôlée par la profondeur/pression de cristallisation. Les phonolites riches en fer de la dorsale sous-marine sont produites à 6–8 km de profondeur, tandis qu’une différenciation moins profonde (4–5 km) entraîne la production de liquides à affinités trachyte–benmoreite. Si le processus de fractionnement se produit à des profondeurs supérieures à 8 km, les liquides phonolitiques résultants sont progressivement enrichis en SiO–AlO mais appauvris en FeO*, c’est-à-dire différents des phonolites naturelles. Nous concluons donc que la production et le stockage de magma phonolitique à Mayotte est un processus plutôt superficiel

Experimental evidence for the shallow production of phonolitic magmas at Mayotte

International audienceSince May 2018 till the end of 2021, Mayotte island has been the locus of a major submarine volcanic eruption characterized by the offshore emission of more than 6.5 km3 of basanitic magma. The eruption occurred along a WNW–ESE trending submarine ridge on the east flank of the island where, in addition, several seemingly recent phonolitic bodies were also identified close to the island. To define realistic scenarios of magma ascent and potentially predict the style of an upcoming event, it is crucial to have a precise understanding on the plumbing system operating below volcanoes. The putative relationships between basanites emitted by the new volcano and these recent phonolites have been experimentally explored by performing crystallization experiments on a representative basanite over a large range of pressures (up to 400 MPa). The results show that the crystallization of basanite at crustal levels (≤12–15 km) yields a phonolitic residual liquid containing up to 3–4 wt% H2O after ≥65 wt% of an assemblage of olivine+plagioclase+amphibole+clinopyroxene+biotite+magnetite+ilmenite+apatite. The final iron content of the residual phonolitic liquids is strongly controlled by the depth/pressure of fractionation. Fe-rich phonolites from the submarine ridge are produced at 6–8 km depth, while a shallower differentiation (≤4–5 km) results in the production of liquids with trachyte–benmoreite affinities. If the fractionation process occurs at depths higher than 8 km, the resulting phonolitic melts are progressively enriched in SiO2–Al2O3 but depleted in FeO*, ie unlike those erupted. We therefore conclude that phonolitic magma production and storage at Mayotte is a rather shallow process.Depuis mai 2018 et jusqu’à la fin de l’année 2021, l’île de Mayotte a été le scenario d’une éruption volcanique sous-marine majeure caractérisée par l’émission en mer de plus de 6,5 km3 de magma basanitique. L’éruption s’est produite le long d’une ride sous-marine orientée ONO–ESE sur le flanc est de l’île où, entre autre, plusieurs corps phonolitiques d’ aspect récent ont également été identifiés à proximité de l’île. Pour définir des scénarios réalistes d’ascension du magma et potentiellement prévoir le style d’un événement à venir, il est crucial d’avoir une compréhension précise du système de plomberie magmatique opérant sous les volcans. Les relations génétiques potentielles entre les basanites émises par le nouveau volcan et ces phonolites récentes ont été explorées expérimentalement en effectuant des expériences de cristallisation sur une basanite représentative, et ce sur une large gamme de pressions (jusqu’à 400 MPa). Les résultats montrent que la cristallisation de la basanite à des profondeurs crustales (≤12–15 km) produit un liquide résiduel phonolitique contenant jusqu’à 3–4 % en poids (pd.%) de H2O, après la précipitation d’au moins 65 pd.% d’un assemblage d’olivine+plagioclase+amphibole+clinopyroxène+biotite+magnétite+ilménite+apatite. La teneur finale en fer des liquides phonolitiques résiduels est fortement contrôlée par la profondeur/pression de cristallisation. Les phonolites riches en fer de la dorsale sous-marine sont produites à 6–8 km de profondeur, tandis qu’une différenciation moins profonde (≤4–5 km) entraîne la production de liquides à affinités trachyte–benmoreite. Si le processus de fractionnement se produit à des profondeurs supérieures à 8 km, les liquides phonolitiques résultants sont progressivement enrichis en SiO2–Al2O3 mais appauvris en FeO*, c’est-à-dire différents des phonolites naturelles. Nous concluons donc que la production et le stockage de magma phonolitique à Mayotte est un processus plutôt superficiel