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Géosciences Rennes
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Dynamique des zones de convergence

1. LA CHAINE HERCYNIENNE REVISITEE (PROGRAMME ARMOR 2, GEOFRANCE 3D, BRGM-CNRS)

Le programme ARMOR 2 (BRGM-CNRS) a permis, entre 1998 et 2003, l’acquisition d’importantes données géophysiques sur le massif armoricain : sismique écoute longue, tomographie, aéromagnétisme). Ces données, combinées àune analyse approfondie des données géologiques, ont conduit àune nouvelle analyse et un nouveau modèle de la tectonique hercynienne (Gumiaux, 2003). Une analyse géostatistique des données structurales en Bretagne centrale (Gumiaux et al., 2003) a tout d’abord montré que tout ce domaine avait subi une déformation décrochante par cisaillement simple (Gumiaux et al., 2004a). La restauration de ce cisaillement (Fig. 1), couplée àl’interprétation des données de sismique, de gravimétrie et de magnétisme (Fig. 2) ont permis d’examiner les problèmes aux limites du domaine centre armoricain induits par les rotations de ses bordures lors du cisaillement (Fig. 1).


Fig. 1. Restauration du cisaillement simple dextre en Bretagne centrale


Cette analyse a permis de nouvelles interprétations tectoniques de certains des domaines remarquables du massif armoricain, comme le bassin carbonifère de Chateaulin qui apparaît maintenant comme un bassin syntectonique compressif, ou le domaine de Champtoceaux, affecté au Carbonifère supérieur par les jeux combinés du cisaillement sud-armoricain et de chevauchements en ciseaux dont l’importance, voire la présence, n’avait jamais été soupçonnée (Figs. 2, 3) (Gumiaux et al., 2004a, b, Bitri et al., 2005, Martelet et al., 2004).

L’ensemble de ce travail a conduit àproposer un nouveau modèle de l’évolution géologique et tectonique du massif armoricain au Carbonifère (Gumiaux et al., 2004b).


Fig. 2. Interprétation de la partie nord du profil sismique ARMOR 2. La ligne permet d’imager des chevauchements àvergence nord qui recoupent les unités de haute pression de Champtoceaux



Fig. 3. Restauration des déformations du domaine de Champtoceaux au Carbonifère supérieur. Les chevauchements qui affectent ce domaine se branchent sur la branche sud du cisaillement sud-armoricain et recoupent ce dernier dans la croà»te inférieure (Fig. 2)


L’analyse intégrée des données géologiques et géophysiques a également permis une interprétation des données de tomographie acquises sous la Bretagne centrale (Fig. 4). L’interprétation conduit àproposer (1) que le cisaillement observé en Bretagne centrale a affecté toute la lithosphère, et (2) qu’un reste de slab a fort pendage nord soit encore présent sous la région (Gumiaux et al., 2004c).


Fig. 5. Tomographie sous la Bretagne (Judenherc et al., 2002, 2003). Une forte anomalie de vitesses est observée en dessous de 130 km. Au dessus, on observe une anomalie d’orientation subméridienne qui se parallélise àl’anomalie sous-jacente après apllication du modèle de cisaillement simple déduit des données de surface (Gumiaux et al., 2004c)


Autour du programme ARMOR 2, plusieurs autres travaux ont été effectués dans le cadre de thèses (Le Hébel, 2002) et de mémoires de DEA. De nouveaux ages obtenus sur la formation des porphyroïdes de Vendée et de Belle-Ile-en-Mer permettent de rapporter cette unité àl’ordovicien inférieur, comme l’essentiel du magmatisme calco-alcalin de Bretagne méridionale. Cet important épisode magmatique souligne un phase d’extension majeure. L’analyse des déformations hercyniennes en Bretagne méridionale et en Vendée a par ailleurs permis de discuter les modalités de l’important épisode d’extension post-épaississement qu’àsubi toute cette région au Carbonifère supérieur (Le Hébel, 2002, Le Hébel et al., 2002 ; Cagnard et al., 2004).


2. L’EXHUMATION DE LA CROUTE PROFONDE ET DES ROCHES DE HAUTE PRESSION

Dans le cadre du programme Armor2 (BRGM-CNRS) a également été reprise l’analyse des étapes précoces de la construction de la chaîne hercynienne, àtravers un ré-examen de deux unités du domaine sud-armorician, àsavoir les schistes bleus de l’île de Groix et les porphyroïdes de Vendée et de Belle-Ile-en-Mer.

Dans les premiers, la pétrologie métamorphqiue a permis de documenter avec finesse une superposition anormale de deux domaines d’histoire P-T distinctes (Bosse et al., 2002), superposition interprétée comme la trace d’un chevauchement au sein du prisme d’accrétion crustal. Par ailleurs, de nouvelles données géochronologiques dans cette unité ont montré que l’épisode haute pression était plus récent (360-370 Ma) que suspecté jusqu’alors (Bosse et al., 2005), tandis que le refroidissement aux environs de 340 Ma indiquait une exhumation rapide. Enfin, la préservation des pseudomorphoses de lawsonite, minéral développé durant la fin de l’enfouissement ou au pic en pression (Ballèvre et al., 2004), signifie qu’au moins certains volumes furent exempts de déformation ductile durant l’exhumation des roches de haute pression, en désaccord avec les hypothèses invoquant une reprise complète des structures durant un épisode tardif de raccourcissement vertical associé àl’extension post-orogénique.

Dans les seconds, une nouvelle estimation des conditions P-T a montré que cette unité avait été elle aussi enfouie àgrande profondeur (Le Hébel et al., 2002).

Les travaux relatifs aux mécanismes d’exhumation des roches de haute pression ou de la croà»te ductile ne se restreignent pas àla chaîne hercynienne dans le Massif armoricain. D’autres exemples, illustrant une grande variété de processus, ont été analysés.

- L’exhumation des granulites protérozoïques en Australie centrale (Möller et al., 2003) résulte d’un évènement compressif sans rapport avec leur genèse, ayant eu lieu durant l’orogenèse Alice Springs, au Dévono-Carbonifère.

- L’exhumation des éclogites dans les Andes équatoriennes (Gabriele et al., 2003) a probablement été permis par un changement de cinématique de la convergence, bien avant la formation de la chaîne andine telle qu’elle se présente ànous actuellement.

- Dans les Alpes orientales, c’est un modèle d’indentation qui rend le mieux compte du processus de formation de la fenêtre des Tauern, un exemple classique d’exhumation de la croà»te ductile d’un édifice orogénique (Rosenberg et al., 2004).

- L’exhumation des dômes synmétamorphiques en Turquie (Gautier et al., 2002) comme ceux des Cordillères bétiques, permettent de montrer en quoi la sédimentation des bassins extensifs permet de dater le processus, et, au moins dans le cas des Cordillères bétiques, être induit par le retrait de la plaque subduite (subduction roll-back) (Augier et al., 2005a et 2005b).


3. DYNAMIQUE D’UNE CHAINE DE SUBDUCTION : LA CORDILLERE DES ANDES

Rédacteur : P.R. Cobbold

Chercheurs : J. de Bremond d’Ars, A. Chauvin, P.R. Cobbold, E. Hallot, T. Nalpas, P. Roperch,
Thèses : L. Gomez (2003), C. Arriagada (2003), O. Galland (2004), N. Rodrigues (en cours)
Financements : IRD (2002-2003), TOTAL (2002), BRGM (2003-2004), STATOIL (2004-2005),

Les chercheurs de Géosciences-Rennes mènent des travaux dans les Andes depuis plus de quinze ans. Dernièrement nous avons mis àprofit l’expérience acquise pour étudier les relations entre déformation, magmatisme, érosion, transfert, et sédimentation. Il a donc fallut un effort pluridisciplinaire. Le financement de ces projets se doit àd’importantes valorisations en domaine minier et pétrolier.

En premier lieu, les études de bassins sédimentaires en Argentine et au Chili ont apporté de nouvelles contraintes sur la chronologie des déformations andines, dont les premières phases s’avèrent plus importantes qu’on ne le pensait, et plus précoces (depuis l’Aptien ; Fig. XX). Des relations entre sédimentation et déformation compressive sont visibles àl’affleurement et sur données sismiques, par exemple en Bassin d’Atacama (Arriagada et al., 2002, 2003 ; Mpodozis et al., 2005) en Bassin de Neuquén (Cobbold et Rossello, 2003) et en Colombie (Thèse de L. Gomez ; Branquet et al., 2002).

Dans les systèmes compressifs, la question des interactions entre les transferts de matière, la déformation et le climat est posée depuis plus d’une dizaine d’années (Molnar et England, 1990). Dans les Andes, notre but est de comprendre et de quantifier les relations existantes entre l’évolution structurale de la chaîne (âge de la déformation, taux d’exhumation, morphologie), les transferts de matière associés (natures et quantités de sédiments préservés en domaine continental et quantité recyclée dans la fosse) et le climat (humide, aride). Ainsi montrons-nous que la préservation des Graves d’Atacama est largement influencée par le changement climatique miocène (aridification du système), créant une absence de transfert de matière en-dehors du système compressif (Vernon et al., 2004 et 2005) Dans les Andes centrales, nos études paléomagnétiques ont mis en évidence de fortes rotations autour d’axes verticaux (Arraigada et al., 2002, 2003). Il en découle que l’orocline bolivien prend sa forme progressivement, depuis au moins l’Eocène (Arriagada et al., 2003). Pour ce qui est des valorisations industrielles, les raffinements apportés aux histoires de subsidence ont servi àmieux contraindre la dynamique de l’expulsion et de la migration d’hydrocarbures (thèse de L. Gomez), alors qu’en domaine minier une étude de terrain au N.O. Argentin a permis de valider la base de données « GIS-Andes  » du BRGM (projet de DEA de R. Roy, 2004).


Fig. 6. Relations entre sédimentation et déformation compressive, àl’affleurement en Bassin d’Atacama (A) et sur données sismiques en Bassin de Neuquén (B)


PUBLICATIONS

Arriagada, C., Cobbold, P., Mpodozis, C., Roperch, P. 2002. Cretaceous to Paleogene compressional tectonics during deposition of the Purilactis Group, Salar de Atacama. Fifth International Symposium on Andean Geodynamics, Toulouse, Extended abstracts, Ed. IRD, 41-44.

Arriagada, C., Roperch, P., Mpodozis, C., Dupond-Nivet, G., Cobbold, P.R., Chauvin, A. & Cortés, J. 2003. Paleogene clockwise tectonic rotations in the forearc of central Andes, Antofogasta region, northern Chile. Journal of Geophysical Research, 108 (B1), 2002, doi : 10.1029/2001JB001598.

Branquet, Y., Cheilletz, A., Cobbold, P.R., Baby, P., Laumonier, B., Giuliani, G. 2002. Andean deformation and rift inversion, eastern edge of Cordillera Oriental (Guateque - Medina area), Colombia. Journal of South American Earth Sciences, 15 : 391-407.

Cobbold, P.R. 2003. Andean orogeny in South America and its controls on hydraulic fracturing and magmatic emplacement. 3rd International Congress of Prospectors and Explorers (ProExplo), 22-25 April, Lima.

Cobbold, P.R., Rossello, E.A. 2002. Phases of Andean deformation, foothills of the Neuquen Basin, Argentina. Fifth International Symposium on Andean Geodynamics, Toulouse, Extended abstracts, Ed. IRD, 153-156.

Cobbold, P.R., Rossello, E.A. 2003. Aptian to recent compressional deformation, foothills of the Neuquén Basin, Argentina. Marine and Petroleum Geology, 20 : 429-443.

Galland, O., Cobbold, P., Rossello, E., De Bremond d’Ars, J., Hallot, E. 2002. Magmatisme et tectonique associée : exemple andin et expériences analogiques. 19ème Réunion Annuelle des Sciences de la Terre, Nantes, Résumés, p. 121.

Marques, F.O., Cobbold, P.R. 2002. Topography as a major factor in the development of arcuate thrust belts : insights from sandbox experiments. Tectonophysics, 348 : 247-268.

Mpodozis, C., Arriagada, C., Basso, M., Roperch, P., Cobbold, P., Reich, M. 2005. Late Mesozoic to Paleogene stratigraphy of the Salar de Atacama Basin, Antofagasta, Northern Chile : Implications for the tectonic evolution of the Andes. Tectonophysics, 399 : 125-154.

Rossello, E.A., Cobbold, P.R., Diraison, M., Arnaud, N. 2002. Auca Mahuida (Neuquén Basin, Argentina) : a Quaternary shield volcano on a hydrocarbon-producing substrate. Fifth International Symposium on Andean Geodynamics, Toulouse, Extended abstracts, Ed. IRD, 549-552.

Rossello, E.A., Haring, C., Nevistic, A., Cobbold, P.R. 2003. Wrenching along the Fagnano-Magallanes Fault Zone, northern foothills of the Fueguian Cordillera, Argentina. VIII Simposio Bolivariano, 21-24 September, Cartagena.