Crystallization kinetics of Plagioclase and application to timescale of crystal mush storage

Au cours des dernières décennies, la vision des réservoirs magmatiques a profondément évolué : les grandes chambres magmatiques riches en liquide ont été remplacées par un réseau complexe de dykes et de sills dominés par des mushs cristallins. Cette nouvelle conception a renforcé l’intérêt pour la quantification des échelles de temps magmatiques, essentielles pour comprendre la dynamique volcanique. Parmi les différentes méthodes existantes (datation isotopique, diffusion, modélisation thermique), l’analyse des distributions de tailles de cristaux (CSD), associée à des taux de croissance déterminés expérimentalement, constitue un outil particulièrement précieux, notamment lorsque les minéraux datables sont absents ou que les textures sont altérées. Cette thèse vise à évaluer le potentiel des approches texturales, en particulier la méthode CSD, pour contraindre les temps caractéristiques de l’évolution magmatique, en combinant expériences contrôlées et étude d’échantillons naturels. L’approche expérimentale, comprenant 80 expériences réalisées dans un four vertical sur une andésite basaltique en conditions anhydres, poursuivait deux objectifs principaux : (i) quantifier les taux de croissance du plagioclase au cours de différents chemins de solidification ; et (ii) étudier l’impact du chemin thermique et du prétraitement (surchauffe, élimination des germes) sur la nucléation et les textures cristallines. Les résultats montrent une évolution similaire des taux de nucléation et de croissance, avec un maximum généralement atteint à proximité du liquidus, suivi d’une diminution progressive lors du refroidissement. Les microtextures obtenues constituent un excellent marqueur du taux de refroidissement (et donc du sous-refroidissement), avec une évolution des morphologies allant de formes euédriques à des textures squelettiques puis dendritiques lorsque ce dernier augmente. Toute modification du chemin thermique, en particulier lors du prétraitement (notamment la préchauffe initiale), influence fortement la cristallisation : elle tend à inhiber la nucléation et à favoriser la croissance de grands cristaux présentant des textures de déséquilibre (dendritiques). Les taux de croissance obtenus varient de 10⁻⁹ à 10⁻⁸ cm·s⁻¹ (pour des refroidissements compris entre 1 et 125 °C/h), et atteignent des valeurs de l’ordre de 10⁻⁷ à 10⁻⁶ cm·s⁻¹ lorsque la surchauffe dépasse 15 °C au-dessus du liquidus. Les taux de croissance ainsi établis ont ensuite été utilisés pour interpréter les CSD de 19 échantillons issus de trois stratovolcans actifs de l’arc chilien (Osorno, Calbuco et Villarrica). Ces systèmes, dépourvus de phases accessoires datables et caractérisés par des textures criblées, se prêtent particulièrement bien à cette approche. Les durées de cristallisation estimées s’étendent de quelques jours à environ trois ans, selon les vitesses de croissance retenues et les populations cristallines considérées. Ces durées reflètent trois stades distincts de l’histoire magmatique : les macrocristaux enregistrent un séjour prolongé dans le réservoir principal ; les micro-phénocristaux témoignent d’un temps de résidence dans des réservoirs intermédiaires peu profonds, crucial pour l’évaluation des risques ; les microlites, quant à eux, reflètent la cristallisation lors de l’ascension finale précédant l’éruption. Ces durées, plus courtes que celles obtenues par diffusion ou par les séries de l’uranium, soulignent que chaque méthode chronométrique enregistre une fenêtre temporelle distincte. L’approche CSD, sensible aux taux de croissance considérés, permet d’estimer exclusivement les temps de cristallisation. Elle apparaît néanmoins comme un complément indispensable aux chronomètres géochimiques pour mieux comprendre le stockage et la dynamique du magma dans les arcs volcaniques, en reliant à la fois échelles de temps et processus magmatiques.