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Accueil du site > Français > Recherche > Le rapport d’activités 2002-2005 > Lithosphères chaudes

Lithosphères chaudes

Depuis les prémices de la tectonique des plaques la lithosphère a été classiquement considérée comme « rigide  » ou très résistante. Il est cependant rapidement apparu que le plus souvent il s’agissait d’un multicouche fragile-ductile dans lequel la croà»te supérieure cassante et la partie supérieure du manteau, sous le Moho, présentaient les résistances les plus élevées. Par opposition àce modèle standard de lithosphère, il apparaît de plus en plus nécessaire de distinguer des lithosphères « molles  » dont la résistance est fortement amoindrie par des gradients thermiques élevés et en conséquence la disparition d’une couche mantellaire àforte résistance sous le Moho (Brun 2002). On peut caractériser cette catégorie des lithosphères « molles  » qu’on peut caractériser par une température au Moho supérieure ou égale à800°C, est représentée en particulier par les domaines d’extension syn àpost-orogénique, les hauts plateaux ou les orogènes pré-cambriens anciens.

Au cours des années récentes nous avons abordé les problèmes d’évolution et de dynamique des lithosphères àfaible résistance tant àpartir de l’étude de cas naturels que par la modélisation numérique et analogique.


1. PROCESSUS D’EXTENSION ET D’EPAISSISSEMENT

L’étude par modélisation numérique thermo-mécanique (Fig.1) et modélisation analogique du développement des « métamorphic core complexes  » avec application au Domaine Egéen. (Tirel 2005 / thèse) a montré que les MCC résultent d’une instabilité mécanique en striction de la croà»te supérieure cassante, dans une lithosphère chaude dont le manteau a une résistance très faible, et que les détachements, si caractéristiques de ces structures sont des conséquences et non pas des causes de l’exhumation des dômes métamorphiques, comme cela est généralement admis. Ces travaux expérimentaux ont aussi permis d’illustrer l’écoulement qui affecte la croà»te ductile et le manteau sur plusieurs centaines de kilomètres sous les metamorphic core complexes (Tirel et al 2004/GSA, Tirel et al 2006/Tectonics).

Stade précoce : Striction de la croà»te supérieure (en bleu)

Stade mature : Exhumation du dôme métamorphique extensif

Fig. 1 Modélisation numérique du développement des « Metamorphic Core Complexes  » (Tirel 2005, Tirel et al 2004/GSA). Les variations d’intensité de la déformation, de très faible ànulle (bleu) àtrès forte (rouge), mettent en évidence la zone de détachement de forme sigmoïde associée àl’exhumation du dôme métamorphique et les zones de cisaillement horizontales résultant de l’écoulement horizontal dans la croà»te moyenne et inférieure


A l’opposé, la modélisation analogique du raccourcissement d’une lithosphère dont la seule couche résistante est la croà»te supérieure (Cagnard 2005 /thèse) met en évidence un processus de raccourcissement original en cisaillement pur avec formation de « pop down  » de croà»te supérieure s’enfonçant dans la croà»te moyenne ductile. Un raccourcissement intense (50%) (Fig. de gauche) peut être réalisé sans formation significative de reliefs par enfoncement séquentiel de pop-down de croà»te fragile dans la croà»te ductile (Fig. de droite). Un tel processus explique les caractéristiques de déformation et de métamorphisme observées dans les orogènes du Protérozoïque inférieur et de l’Archéen qui ne montrent pas de chevauchement de type Alpin comme les orogènes phanerozoïques. Il apporte aussi une solution simple du paradoxe des hauts plateaux tels que le Tibet où l’épaississement crustal est fort sans grand chevauchement observable en surface (Cagnard et al 2006).


Fig. 2 Sections de modèles analogiques de lithosphère « molle  » raccourcis de 50% àdifférentes vitesses (àgauche) montrant différentes modalités d’enfoncement de pop-down dans la croà»te ductile sous jacente et vues de dessus (àdroite) de trois stades de raccourcissement du modèle dont la coupe est présentée en haut et àgauche (D’après Cagnard et al 2006)


Ce processus de raccourcissement peut être, en outre, être combiné àune extrusion latérale donnant une association de structures de type « pop-down  » et de décrochements, se traduisant sur le terrain par une foliation toujours fortement pentée avec juxtaposition de zones àlinéation d’étirement verticale et de zones àétirement horizontal (Cagnard et al 2005)


2. DYNAMIQUE DE L’EXTENSION EGEENNE

Le Domaine égéen est un laboratoire de choix pour l’étude de l’extension lithosphérique récente et active des lithosphères chaudes. L’extension y est due au recul de la subduction hellenique vers le sud-ouest. Une étude des variations de l’épaisseur de la croà»te a été conduite par modélisation gravimétrique en soustrayant àl’anomalie mesurée les effets imputable au panneau subduit (Tirel et al 2005, EPSL). La carte de la profondeur du Moho (Fig. ) montre que sur environ 800 km dans une direction méridienne le Moho ne varie que de quelques kilomètres autour d’une valeur moyenne de 27 km. Ce fait majeur est interprété comme le résultat d’un écoulement de la croà»te ductile et du manteau pendant le développement des Métamorphic Core Complexes de l’Eocène moyen au Miocène moyen . Les légères variations de profondeur du Moho sont liées au développement ultérieur de grabens pendant la période Pliocène-Quaternaire.


Fig. 3 Carte de la profondeur du Moho en Mer Egée obtenue par modélisation gravimétrique (Tirel et al 2004 EPSL)


L’analyse du MCC du Rhodope (Brun et Sokoutis 2004) montre que l’extension égéenne débute aux environs de 45 Ma soit 15 Ma plus tôt que la limite admise depuis quelques années. Ceci révèle que le rollback de la subduction démarre quasiment dès la fermeture de l’océan thetysien. Ceci ouvre des perspectives nouvelles pour la compréhension de l’extension égéenne dans le cadre du retrait de la subduction. Des évidences de développement de Metamorphic Core Complexes d’age anté-Eocène ont par ailleurs été identifiées dans le Nord-Est de la Turquie (Gautier et al 2002)


3. TECTONIQUE PRECAMBRIENNE

Les chaînes de collision modernes, mettant en jeu des lithosphères avec une partie mantellique résistante et un fort rapport fragile/ductile dans la croà»te, ont un comportement très localisant, caractérisé par des zones de cisaillement d’échelle lithosphérique ou crustale (chevauchements, détachements extensifs) qui conduisent àla juxtaposition d’unités tectoniques marquées par des histoires PT variées, y-inclus des unités HP ou UHP, souvent rapidement exhumées. En revanche, les lithosphères « chaudes  », comme en particulier les domaines juvéniles très fréquents au Précambrien, ont un comportement radicalement différent. Les zones de collision y sont en particulier caractérisées par (1) l’absence de grands chevauchements ou détachements extensifs post-épaississement, (2) des conditions PT très monotones en liaison avec des isogrades restant globalement sub-horizontaux malgré les déformations subies, et (3) la coexistence de domaines àfoliations sub-horizontales et de zones transpressives subverticales. Les processus impliqués ont été étudiés àtravers des exemples de terrain (Terre Adélie, Bordure ouest du craton du Supérieur, Svécofénides) et des modèles analogiques (Pelletier et al., 2002 ; Cagnard et al., 2004, 2006 ; Cagnard, 2005 ; Gapais et al., 2005 ; quatre publications récentes ou sous presse). Les résultats montrent que la compression de lithosphères chaudes induit des déformations distribuées, l’épaississement pouvant s’accompagner d’un fluage latéral de la croà»te ductile sous son propre poids (Figs. 4, 5). En soulignant en outre le caractère erroné des théories uniformisant les modes de déformations lithosphériques au cours des temps géologiques, ils apportent des éléments nouveaux sur cette question toujours très débattue au niveau international.


Fig. 4. Modèle analogique de compression d’une lithosphère chaude, induisant une déformation distribuée, du fluage horizontal de la croà»te ductile, et des zones transpressives



Fig. 5. Schéma de principe du mode de déformation compressive lors de la convergence entre une lithosphère molle et un craton



4. CROISSANCE CRUSTALE AU PRECAMBRIEN

Le développement de la croà»te continentale et les processus d’accrétion ont été étudiés conjointement sur les plans pétrologique, géochimique, géochronologique et tectonique principalement àl’Archéen et au Paléoprotérozoïque.

Les travaux sur l’Archéen du sud de l’Inde (Programme IFCPAR) ont permis de déterminer les grandes périodes de formation de blocs continentaux du Craton du Dharwar et d’identifier plusieurs blocs d’histoire différente. L’ absence d’épaississement crustaux significatifs vers 2.5 Ga (Chardon et al. 2002) et l’accrétion importante de croà»te juvénile àcette époque suggérent des processus spécifiques compatibles avec une remontée asthénosphérique majeure àla fin de l’Archéen se traduisant par des processus de sagduction et diapirisme et se terminant par un épisode granulitique majeur. Un magmatime granitique high-K important a été mis en évidence vers 2,61 Ga dans la partie ouest du craton, (Jayananda et al. 2006). Ce magmatisme est composite avec des magmas dont les sources sont différentes au sein d’un même pluton, montrant ainsi un processus de fusion étagée de la croà»te continentale avec production de TTG transitionels et de granites de types CA1 et CA2. Ce type de magmatisme classiquement lié aux phases ultimes des cratons archéens apparait ici formé 100 Ma avant le stade de cratonisation.

Le massif Paléoprotérozoïque des Eglab dans le nord du craton Ouest Africain en Algérie (Programme de coopération Franco-Algérienne) montre une évolution de type résolument moderne avec le développement, sur des "racines" archéennes à2,7 Ga, d’un magmatisme calco-alcalin fonctionnant d’abord en contexte d’arc mature vers 2,20 Ga (Peucat et al. 2005). Un système de marge active se développe à2,10 Ga qui se termine par un magmatisme post-tectonique high-K à2.07 Ga, volumineux et possiblement lié àun processus de slab roll back. Cette évolution contraste cependant avec celle observée dans le sud du craton (Dorsale de Leo) qui est essentiellement de type arc océanique (cf figure).


Figure 6 : Contraste de composition entre le magmatisme basique du nord (massif des Eglab- Dorsale Reguibat, figurés pleins) et du sud du craton ouest Africain (Dorsale de Leo) et sites géotectoniques correspondants (Peucat et al., 2005)


D’autres travaux sur la croissance crustale précambrienne ont été réalisés avec des programmes de coopération Franco-Brésilienne (Barbosa et al, 2004 ; Peucat et al., ,2003a & 2002) ainsi que sur le Massif du Hoggar en Algérie (Peucat et al 2003b). Des travaux sur la Terre Adélie (Programmes Moraines-GEOLETA de l’INSU & Institut Polaire ) avec, entre autre, la mise en évidence d’un volcanisme acide vers 1.6 Ga reconnu au niveau des moraines et qui est en tout point semblable au volcanisme post-orogènique du Craton du Gawler en Australie (Peucat et al., 2002).