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1 Pétrologie magmatique, Université Aix-Marseille 3, Case courrier 441, 13397 Marseille cedex 20, France
2 GEMOC National Key Centre, Department of Earth and Planetary Sciences, Macquarie University, Sydney, NSW 2109, Australia.
3 Département de Géologie-Pétrologie-Géochimie, Université Jean Monnet, 42023 Saint-Etienne, France.
4 LGCA, UMR 5025, Université Joseph Fourier, BP 53, 38041 Grenoble cedex, France
5 ISTEEM, UMR 5567, Université Montpellier II, 34095 Montpellier cedex 05, France
Abstract
La péninsule Byers (~ 60 km2), localisée à l’extrémité occidentale de l’île Livingston est, en été, la plus vaste étendue libre de glace des îles Shetland du Sud. Les échantillons de lave étudiés – collectés lors d’une campagne avec l’Institut Antarctique chilien – sont intercalés dans des séquences sédimentaires d’âge jurassique supérieur-crétacé infé-rieur qui marquent l’émersion progressive d’un arc volcanique. Les laves les plus anciennes correspondent à de volumi-neuses coulées intercalées dans les sédiments de plate-forme de la fin du Jurassique. L’émersion de l’arc se produit au Crétacé inférieur. De vastes épanchements ignimbritiques s’observent à la base de la séquence continentale. La plus grande partie des affleurements sont cependant de nature basaltique à andésitique et correspondent aux racines de l’arc volcanique crétacé inférieur. Les laves de la péninsule Byers sont le plus souvent porphyriques et riches en plagioclase. Les associations minéralogiques sont celles que l’on observe classiquement dans les séries orogéniques. Les données géochimiques montrent que ces roches sont pauvres en potassium et enrichies en LILE. Elles présentent en outre les anomalies négatives prononcées en Nb et Ta des laves de zones de subduction. Les données isotopiques indiquent une origine à partir du manteau asthénosphérique. Cette source mantellique, de type MORB, a été modifiée par les fluides et les sédiments issus de la zone de subduction.
Introduction. – Les îles Shetland du Sud et la péninsule antarctique font partie d’un même bloc qui s’est séparé de l’Amérique du Sud et de l’Antarctique lors de la fragmentation du Gondwana [Tarney et al., 1982 ; Storey et al., 1992 ; Grunow, 1993 ; Pankhurst et al., 1998, 2000 ; Riley et al., 2001]. La subduction sous cette marge, active du Jurassique au Tertiaire, a cessé par suite de la disparition progressive de la plaque Phoenix sous la péninsule Antarctique et la collision de la ride Phoenix-Pacific avec la marge [Barker, 1982 ; Weaver et al., 1982 ; Pankhurst et Smellie, 1983 ; Hole et Larter, 1993 ; Scarrow et al., 1997 ; Leat et al., 2002].
Contexte géologique. – Les dernières mises au point sur la stratigraphie de la péninsule Byers [Hathway, 1997 ; Hath-way et Lomas, 1998 ; Hathway et al., 1999] distinguent : (1) une séquence marine (Byers Group) marquant, du Juras-sique supérieur au Valanginien, l’émersion progressive d’un arc volcanique ; (2) une séquence continentale volcano-détritique (Cerro Negro Formation, base de l’Aptien) déposée dans un bassin intra-arc. Les observations de terrain et les données géochronologiques [Pankhurst et al., 1979 ; Pankhurst et Smellie, 1983 ; Smellie et al., 1984 ; Hathway et al., 1999] permettent de distinguer 4 épisodes volcaniques. Le plus ancien (1) correspond à de volumineuses coulées sous marines [Devils Point, fig. 1] d’âge crétacé inférieur (Berriasien). Le second épisode est représenté par des ignimbrites affleurant à la base de la séquence continentale. Un niveau vitrophyrique de 3–4 m d’épaisseur est particulièrement remarquable sur le terrain. A l’est du Cerro Negro, d’abondants fragments de bois silicifiés présents sous ce vitrophyre daté à 120–119 Ma [Hathway et al., 1999] témoignent de la destruction d’une végétation arborescente par de volumineuses coulées pyroclastiques. Les sills, dykes ou necks de basaltes et andésites basaltiques (3) qui intrudent la séquence continentale, représentent les racines de l’arc volcanique crétacé. Le basalte 98–10, prélevé près de la côte au sud du Cerro Negro, se distingue par l’abondance de phénocristaux de clinopyroxène. Les coulées aériennes (4) sont rares sur la péninsule Byers. Celle de Basalt Lake, au SE du Chester Cone (98–20, fig. 1) présente la succession classique des coulées canalisées dans les vallées, avec colonnade à la base et entablement au sommet. Nous la considérons de ce fait comme l’épisode volcanique le plus récent.
Pétrographie et minéralogie. – Les roches de la péninsule Byers sont porphyriques et particulièrement riches en plagioclase. L’olivine n’est conservée que dans le basalte de Sealer Hill (tabl. I). Les faibles teneur en Mg (Fo75-55) et Ni de ces olivines sont en accord avec les faibles pourcentages en MgO de la roche hôte. Les pyroxènes sont présents, aussi bien en phénocristaux que dans la mésostase, dans la plupart des roches. L’évolution de leur composition (fig. 2) est fonction de la chimie des laves et des conditions de refroidissement. Les températures obtenues avec le géothermomètre Opx-Cpx varient de 1 100 oC (pour les basaltes) à 950 oC (pour le vitrophyre). Les teneurs élevées en calcium, et faibles en titane, des phénocristaux du basalte 98–10 sont caractéristiques de clinopyroxènes de laves orogéniques [Leterrier et al., 1982]. La composition des plagioclases reflète elle aussi fidèlement la nature des laves (fig. 3). L’évolution la plus marquée (An84 à An15) est observée dans les plagioclases de Devils Point (98–29 et 98–30), alors que les feldspaths de la pépérite (98–33), qui a subi un phénomène de trempe, ont des teneurs en anorthite variant peu. Les basaltes (98–10, 98–11 et 98–20) renferment des plagioclases très calciques (An93 à An86). Les amphiboles (tabl. II) ne sont présentes que dans les andésites acides. Même si la plupart des laves sont peu altérées, chlorites, smectites, talc, actinolite et zéolites apparaissent dans certains échantillons.
Géochimie. – Les roches de la péninsule Byers ont des compositions (tabl. III) qui varient depuis des basaltes jusqu’à des andésites acides (fig. 4). Elles sont pauvres en potassium, Rb, Ba et Sr, mais ces éléments sont particulièrement mobiles au cours des processus d’altération (fig. 5). Les spectres de terres rares sont marqués par un léger enrichissement en terres rares légères par rapport aux terres rares lourdes [(La/Yb)N ~ 3 ; groupe 1]. Les basaltes du Cerro Negro et de Devils Point ont des spectres légèrement moins enrichis (groupe 2). Quant aux basaltes de Sealer Hill et de Basalt Lake ils se distinguent par un appauvrissement en terres rares les plus légères (fig. 6). Les diagrammes multi-éléments montrent une anomalie négative prononcée en Nb-Ta et un pic en Pb, ce qui est caractéristique des magmas de zones de sub-duction.
Les données isotopiques en Sr, Nd (tabl. IV, fig. 7 et 8) et Pb (tabl. V, fig. 9) permettent de préciser que ces laves dérivent d’un manteau asthénosphérique de type MORB contaminé par les sédiments et les fluides provenant de la zone de subduction. Les processus de contamination crustale semblent minimes et les roches de la péninsule Byers ont une évolution très semblable à celle des laves de l’arc intra-océanique des îles Sandwich du Sud [Fretzdorff et al., 2002] sur les diagrammes isotopiques du plomb. Le diagramme 
Ndi – (206Pb/204Pb)i (fig. 10) montre en outre que les laves de la péninsule Byers se distribuent, comme les basaltes tertiaires de la péninsule Fildes, sur des lignes de mélange entre une source de type MORB et les sédiments [Keller et al., 1992].
Implications géodynamiques. – Les laves de la péninsule Byers, comme celles des autres îles des Shetland du Sud, ont des caractéristiques chimiques << ambiguës >>, calco-alcalines à tholéïtiques. Sur un diagramme Th/Yb versus Nb/Yb (fig. 11) ces laves se disposent au dessus du domaine MORB-OIB ce qui reflète l’apport, dans la source mantellique, de matériel provenant de la plaque subductée. Suivant l’importance de ces apports et le taux de fusion partielle, le caractère calco-alcalin est plus ou moins marqué. L’influence de la subduction persiste dans les Shetland du Sud jusqu’au Ter-tiaire, bien longtemps après la fin de la subduction le long de ce secteur de la paléo-marge Pacifique [Xiangshen et al., 1996 ; Smellie et al., 1996].
Key Words: Antarctique • Péninsule Byers • Arc volcanique • Pétrologie • Géochimie
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