Geochemical and isotopic data provide insights into the origin and evolution of magmatism found at destructive plate margins. Tholeiitic magmas are dominant in the early stages of oceanic island-arc genesis and calc-alkalic magmas are most common in mature oceanic arcs and in continental arcs where they may range from basalt to rhyolite in composition, including voluminous intermediate (andesitic) rocks. Experiments suggest that calcalkalic mafic magmas are formed by melting of a hydrated mantle wedge and undergo low pressure fractional crystallization under near-H2O saturated conditions. Intermediate to felsic magmas are derived in a wide variety of ways, including the fractionation of a more mafic parent, mixing between mafic and felsic magmas (a process supported, in many cases, by field and textural evidence), crustal contamination, or partial melting of the crust. All these processes appear to take place, to some degree, in arc systems, although in any given arc system, one mechanism may predominate.
Arc-related calc-alkalic and tholeiitic basalts typically show moderate degrees of light rare-earth-element (LREE) enrichment, and flat heavy rare-earth-element (HREE) profiles, indicating an origin in a shallow (spinel lherzolite) mantle. More evolved magmas exhibit Eu anomalies, consistent with low pressure plagioclase fractionation. Compared to within-plate settings, tholeiitic and calc-alkalic arc magmas have lower abundances in high-field-strength (HFS) elements, possibly because these elements are bound during the accessory phases in the mantle wedge, and are stable during partial melting. Compared to arc tholeiites, calc-alkalic magmas have higher abundances of incompatible large ion lithophile (LIL) elements reflecting enrichment in the mantle wedge source. This characteristic depletion in HFS, and enrichment in LIL, elements, in arc magmas is the basis for a variety of discrimination diagrams. These diagrams constrain processes operating in modern and ancient arc systems and include chondrite-normalized, MORB-normalized and mantle-normalized spidergrams, which are characterized by jagged patterns of trace-element abundances (in contrast to the relatively smooth patterns of within-plate suites).
Some arc suites have depleted initial 143Nd/144Nd and lower initial 87Sr/86Sr than the bulk earth, and are similar to MORB. Other suites have enriched isotopic patterns consistent with the influence of subducted oceanic sediments on the composition of the magma. Samarium-Nd and Rb-Sr isotopic studies can be used to distinguish between felsic magmas derived from fractional crystallization of a more mafic parent (which would have similar values) and those derived from the melting of ancient crust.
SOMMAIRE
Les données géochimiques et isotopiques fournissent des indications quant à l'origine et à l'évolution du magmatisme des marges de subduction des plaques tectoniques. Les magmas sont principalement tholéiitiques dans les premières phases de formation des arcs insulaires océaniques, alors qu'ils sont principalement calco-alcalins pendant les phases terminales des arcs insulaires océaniques ainsi que dans les arcs insulaires continentaux, où leur composition peut aller du basalte à la rhyolite, dont des volumes considérables de roches de composition inter-médiaire (andésitique). Des expériences permettent de penser que les magmas mafiques calco-alcalins sont formés par la fusion d'un biseau mantélique hydraté qui subit une cristallisation fractionnée à basse pression en des conditions de quasi-saturation en H2O. Les magmas de composition intermédiaire à felsique résultent de mécanismes très variés, dont le fractionnement d'une roche mère plus mafique, le mélange de magmas felsiques et mafiques (mécanismes mis en évidence par des données de terrain et l'analyse texturale), la contamination crustale, ou la fusion partielle de la croûte. Tous ces mécanismes semblent se produire, au moins partiellement, au sein d'arcs insulaires, mais l'un d'eux peut constituer le mécanisme prédominant de quelque système d'arcs insulaires particulier.
L'enrichissement modéré typique des basaltes calco-alcalins et tholéiitiques d'arcs insulaires en éléments légers des terres (LREE) rares ainsi que le profil plat de leur contenu en éléments lourds des terres rares (HREE) sont des indicateurs d'une origine mantélique peu profonde (iherzolithe à spinelle). Les magmas plus évolués affichent des anomalies en Eu, ce qui concorde avec un fraction-nement à basse température des plagioclases. Comparés à ceux des contextes intra-plaques, les magmas tholéiitiques et calco-alcalins d'arcs insulaires affichent des contenus moindres en éléments à grande intensité de champ, peut-être parce que ces éléments sont liés pendant les phases accessoires dans le biseau mantélique, et sont stables pendant la phase de fusion partielle. Comparés aux tholéiites d'arcs insulaires, les magmas calco-alcalins ont des contenus plus élevés en éléments lithophiles à grands champs ioniques incompatibles, ce qui est le reflet d'un enrichissement au sein du biseau mantélique source. Cet appauvrissement caractéristique en éléments à grande intensité de champ (HFS) et cet enrichissement en éléments lithophiles à grands champs ioniques (LIL) des magmas d'arcs insulaires forment la base d'une variété de diagrammes de discrimination. Ces diagrammes permettent de préciser les processus en jeu des systèmes d'arcs insulaires modernes et anciens et incluent des diagrammes radiaux normalisés pour les chondrites, pour les basaltes de dorsales océaniques (MORB) et pour le manteau, lesquels son caractérisés par des profils anguleux irréguliers des courbes de contenus en éléments traces (en contraste avec les profils relativement réguliers des suites intra-cratoniques).
Certaines suites d'arcs insulaires montrent des ratios initiaux 143Nd/144Nd appauvris et 87Sr/86Sr inférieurs à celui de la valeur planétaire actuelle, et qui sont semblables à celui des basaltes de dorsales océaniques. D'autres suites ont des profils isotopiques enrichis, ce qui correspond à une influence de sédiments océaniques subductés sur la composition du magma. Les études samariumnéodymium et rubidium-strontium peuvent être utilisées pour différencier entre les magmas felsiques issus d'une cristallisation fractionnée d'une roche mère plus mafique (qui montrerait des valeurs similaires) et ceux provenant de la fusion d'une croûte ancienne
