La collision Inde-Eurasie et la formation de l`Himalaya

La collision Inde-Eurasie et la
structure de la chaîne
Himalayenne
Cours L3/M1 ENS - TECTONIQUE
M. Rodriguez, J. de Sigoyer
[email protected]
Cinématique de la
collision Inde-Eurasie
Zone de déformation
diffuse
Kremer, 2003
Chamot-Rooke & Rabaute, CCGM, 2006
Chaînes latérales :
Arakan à l’Est,
Makran-Kirthar-Sulaiman à l’Ouest
Pubellier et al., CCGM, 2008
Généralités
Longueur 2 400 km
Largeur de 250 à 400 km
14 sommets à plus de 8000m
Problématiques
Structure de l’orogène?
Âge de mise en place des
structures?
Âge des reliefs?
Paléogéographie?
La collision Inde-Eurasie et la
structure de la chaîne
Himalayenne
La chaîne Himalayenne actuelle
Structure de la chaîne Himalayenne : de l’affleurement à la
lithosphère
La formation de la chaîne Himalayenne
La collision Inde-Eurasie et la
structure de la chaîne
Himalayenne
La chaîne Himalayenne actuelle
Structure de la chaîne Himalayenne : de l’affleurement à la
lithosphère
La formation de la chaîne Himalayenne
La chaîne Himalayenne
actuelle : topographie
Plateau tibétain :
Altitude de 5000m en moyenne
Réseau de drainage et flux sédimentaire continent-océan
INDUS
GANGE
Qayyum et al., 1997
La chaîne Himalayenne actuelle : Structure
Hatzfeld & Molnar, Rev. Geophys., 2010
La chaîne Himalayenne actuelle :
sismicité
Hatzfeld & Molnar, Rev. Geophys., 2010
La chaîne Himalayenne actuelle : cinématique
Convergence N20°
Vitesse de convergence:
 5.4cm/an selon Nuvel 1A
(DeMets et al., 1994)
Entre 4 et 4.7 cm/an selon
autres estimations
(Paul et al., 2001; Socquet et al.,
2002)
1.8 cm/an sont absorbés par
du raccourcissement à
travers la chaîne
himalayenne
(Molnar and Lyon-Caen, 1989; Bilham
et al., 1997)
le reste est distribué du Tibet
à la Mongolie
(Molnar and Tapponnier, 1975, 1977).
La chaîne Himalayenne actuelle : gravimétrie
Hatzfeld & Molnar, Rev. Geophys., 2010
La chaîne Himalayenne actuelle : gravimétrie
Anomalie de Bouguer
-300mgal sous la haute chaine
Plateau Tibétain la plus
vaste zone d’anomalie de Bouger
négative sur Terre (-500 mgal)
croûte épaissie
Pas d’anomalie positive comme dans les
Alpes (Zone d’Ivrée)
Jimenez Munt et al., 2007
La chaîne Himalayenne actuelle : épaisseur crustale
Jusqu’à env. 70-80 km
Hatzfeld & Molnar, Rev. Geophys., 2010
La collision Inde-Eurasie et la
structure de la chaîne
Himalayenne
La chaîne Himalayenne actuelle
Structure de la chaîne Himalayenne : de l’affleurement à la
lithosphère
Structure générale
La formation de la chaîne Himalayenne
Les domaines structuraux
de la chaîne Himalayenne
Altyn-Tagh
Karakorum
Qiangtang
MFT
Indus Tsangpo suture :
Limite entre Inde & Eurasie
Songpan-Ganze
Lhasa
Indus Tsangpo suture
Structure générale de la chaîne Himalayenne
Hatzfeld & Molnar, Rev. Geophys., 2010
Structure générale de la chaîne Himalayenne
Plusieurs unités structurales, séparées par des failles majeures
•
•
•
•
•
Les Siwaliks, limités au sud par la chevauchement frontal et au nord par le
chevauchement bordier
Le Moyen Himalaya chevauche les Siwalik au niveau du chevauchement bordier
(MBT, Main Boundary Thrust), et est chevauché par le Haut-Himalaya au niveau du
chevauchement central (MCT, Main Central Thrust)
Le Haut-Himalaya chevauche le moyen Himalaya au niveau du MCT; la partie
cristalline (HHC High Himalayan Cristalline) est désolidarisée de la couverture
sédimentaire de la marge indienne téthysienne au niveau du détachement sud
tibétain (STDS) ou faille nord-himalayenne (FNH)
La série de la téthys-himalaya est plissée, et découpée en une série de nappes. Elle
est détachée de son socle via le STDS, et elle est chevauchée au nord par la zone
de suture
La suture de l’Indus-Tsangpo marque la limite Inde-Eurasie. Les unités de la suture
ont un double déversement et chevauchent le domaine « téthys-himalaya » au
sud, comme la marge tibétaine au nord
Caractéristiques de chaque domaine, et de leurs frontières, des
domaines externes (au sud) vers les domaines internes (au nord)
La collision Inde-Eurasie et la
structure de la chaîne
Himalayenne
La chaîne Himalayenne actuelle
Structure de la chaîne Himalayenne : de l’affleurement à la
lithosphère
Structure générale
Structure de la chaîne, domaine par domaine
La formation de la chaîne Himalayenne
Au sud de l’Indus-Tsangpo
La chaîne subhimalayenne: stratigraphie


Séquence détritique des SIWALIKS (molasse, conglomérats, grès, pélites) d’âge Miocène moyen à Pléistocène
Changement environnemental (plantes C3 =>C4) autour de 8 Ma
Himalayan Main Frontal Thrust
MFT dans dépôts Quaternaire… le plus souvent le chevauchement est aveugle
Himalayan Main Frontal Thrust
Duplex
Chevauchement aveugle
Zone active dès ~3.5Ma
Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
coupes de l’ouest du Népal
Au sud de l’Indus-Tsangpo
Le Moyen Himalaya : stratigraphie
Moyen Himalaya
Quartzite, Shistes, marbres,
phyllites, orthogneiss, diverses
roches métamorphiques
Faciès schiste vert
Âge des roches
mésoprotérozoïque à cambrien
inf.
Les séries du Moyen
Himalaya correspondent à
l’ancienne marge
septentrionale de l’Inde
Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Le chevauchement bordier principal
Le Moyen Himalaya : structure
Limité par le chevauchement bordier (MBT) et le chevauchement central (MCT)
Plusieurs chevauchements de second ordre structurent l’unité
Les séries du Haut Himalaya sont localement présentes sous la forme de klippe (allochtone)
Structuration du Moyen Pays autour de 20 Ma
 MBT actif de 12 à 2 Ma; reste actif au Bhoutan
Terrains sédimentaires des klippes
 Terrains sédimentaires au faciès schiste vert à amphibolite, localement
intrudés par des corps plutoniques d’environ 470-490 Ma
 Ancienne marge Nord Indienne; séries originaires d’un domaine plus
septentrional de la marge que l’autochtone
Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Au sud de l’Indus-Tsangpo
Le chevauchement central
Entre le Haut Himalaya très métamorphique et les nappes moins métamorphiques du Moyen Himalaya, il n'y a pas un
chevauchement unique bien défini, mais toute une zone de cisaillement intense et hétérogène.
S
N
Le MCT Zone de cisaillement de plus de 1 km d’épaisseur.
Cette zone de cisaillement maximal correspond parfois à l’isograde du disthène
Le chevauchement central
Moyen Himalaya & chevauchement central
Structure et distribution des faciès métamorphiques
micaschistes à musc-grt et amph-grt
(dans zone de métamorphisme inverse)
(S. Guillot)
Le métamorphisme
inverse Himalayen
Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Au sud de l’Indus-Tsangpo
Haut Himalaya- complexe cristallin
Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Haut Himalaya- complexe cristallin
 Terrains cristallins gneissiques,
(Env. 560 Ma pour le
protololithe)
 Leucogranites cénozoïques (10
à 20 Ma) au sommet
 Zone métamorphique axiale de
la chaîne
 Limitée au sud par le « Main
Central Thrust »
 …Au nord par le « South
Tibetan Detachment System »
Searle et al., 2008
Le chevauchement central et la Haut-Himalaya Cristallin
Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Evolution pétrologique
disthène
cd+
S
L’intensité du métamorphisme décroît vers le N…pour augmenter à proximité du détachement sud tibétain
N
Le Cristallin du haut Himalaya
HHC = Dalle du Tibet= écaille
crustale de 5-15 km =
sédiments fin protérozoïque de la
marge indienne (560 MA).
Limite sud = MCT
Limite Nord = STDS ou FNNH
HHC métamorphisé sous faciès
amphibolite à granulite
Le détachement sud-tibétain
Carosi et al., J. Asian Earth Sci., 1998
Le détachement sud-tibétain
(ou faille nord himalayenne)
Double cisaillement
Les cisaillements sont dirigés vers le Nord
Série sédimentaire du Téthys Himalaya sur le détachement
Carosi et al., J. Asian Earth Sci., 1998
Le cisaillement ductile
associé au détachement
sud tibétain
Carosi et al., J. Asian Earth Sci., 1998
La partie cassante du
détachement sud tibétain,
marquée par des cataclasites
Carosi et al., J. Asian Earth Sci., 1998
Les leucogranites au sommet de la dalle, liés au fonctionnement du
détachement sud tibétain au Miocène
Manalsu
Lames minces de leucogranites
du Manaslu (S. Guillot).
Cliché A : leucogranite (quartz – plagioclase
sodique – feldspath potassique) à muscovite
± biotite ± tourmaline. Noter que les
muscovites sont orientées, définissant des
bandes de cisaillement synmagmatiques
Cliché B : leucogranite à tourmaline
Mise en place par « channel flow »?
Ou autres mécanismes?
Whipple, Nat. Geosci., 2009
Au sud de l’Indus-Tsangpo
La série téthysienne



Série stratigraphique de la marge continentale indienne sur plus de 10 km d’épaisseur, de l’Ordovicien à l’Eocène
Caractéristique d’une marge passive subsidente
Plate forme carbonatées de la marge passive

Basaltes permiens marquent le rifting de la Téthys
Sédiments Téthysiens épaisseur de 7400m (+2400m sédiments érodés (Trias-Jurrassique-Crétacé))
Marge passive Indienne
Très nombreux fossiles ex
Blanfordiceras wallichi du
Torthonien
Plateforme
S
Approfondissement du bassin
N
Près de 500 Ma d’histoire du craton
indien puis de la marge indienne,
Calcaires ordovicien forment
au sud de la Téthys, marquée par
les sommets de l’Everest,
de nombreuses variations de faciès
de l’Annapurna
Séquence
au gré des variations du niveau
pélagique de marin,
de
nombreuses
Lamayuru
discordances, et même des trapps
du Permien (Panjal, 2000 m
d’épaisseur)
Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Série du Téthys Himalaya, signification
• Base Protérozoïque sup-cambrien :
vestiges
de
l’effondrement
de
l’orogène panafricain
• Paléozoïque : bassin épicratonique peu
subsident
• Permien : trapp de Panjal, formé lors
de la déchirure de la Pangée
• Trias-Eocène : marge sud téthysienne
Exemples de structures dans la série téthysienne
Annapurna
Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Exemples de structures dans la série téthysienne
NW Zanskar Himalaya
Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Les massifs cristallins
Nord Himalayens
Ex. du Tso Morari (12 000 à 20 000 km²), faciès
éclogite rétromorphosé dans faciès
amphibolite
Le faciès éclogite du
massif de Tso Morari,
Indicateur de la
subduction de la partie la
plus distale de la marge
indienne
deSigoyer et al., 1997, 2000
Le faciès éclogite du
massif de Tso Morari
Métamorphisme HP - BT
Indicateur de la
subduction de la partie la
plus distale de la marge
indienne
Cisaillement ductile formé lors de l’exhumation du dôme de Tso Morari
Epard & Steck, Tectonophysics, 2008
Les massifs cristallins Nord Himalayens
Ex. des granites cénozoïques (autour de 20 Ma) (Dolpo-Mugu; Mustang) : origine anatectique
Dolpo-Mugu
Structure en nappes de la série téthysienne
Ophiolite en klippe
Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
La suture de l’Indus-Tsangpo
La suture de l’Indus-Tsangpo




Zone de collision Inde-Eurasie
Métamorphisme des roches au faciès schiste bleu
Turbidites Crétacé sup., bassin d’avant arc
Molasses de l’Indus, d’âge Eocène : premières séries continentales, marqueur de la
collision => bassin molassique post-collisionnel
Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
La mise en place de l’Indus
A.L. Henderson et al.,Earth-Science Reviews (2011)
Au front de la suture : les ophiolites, vestiges de la Néotéthys





Xigase (2000 km²)
Kiogar (3500 km²)
Spontang (200 km²)
Nidar
Luobusa (70 km²)
 Ophiolites de supra-subduction
(avant arc), avec des péridotites
essentiellement harzburgitiques
 Âge du plancher océanique
mesozoïque (entre 120 et 170
Ma selon les sites)
Péridotites de Spongtang au Ladakh
Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Xigaze ophiolite
View eastwards along the Yarlung-Tsangpo suture zone from Yenong.
Ultramafic rocks of the Xigaze ophiolite crop out on the massif in the
background of the photo
Nidar Ophiolite
NE
NE
Pillow Lava
Dykes
Reconstitutions de la marge indienne
Greater India
Au nord de la suture de l’Indus-Tsangpo : la marge asiatique
Les blocs de la marge asiatique
 Tibet : différents microblocs
continentaux accrétés depuis le
Paléozoïque
 Bloc de Lhasa formé par des roches
+/métamorphiques
du
précambrien;
de
séries
sédimentaires du Mésozoïque, aussi
métamorphisées
Stampfli & Borel, EPSL, 2002
Ophiolites de la paléotéthys
Bloc de Lhasa
Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Plissement Eocène lors de la collision Inde-Eurasie
L’arc volcanique calco-alcalin de la subduction téthysienne :
Les batholites de Ladakh et Gangdese
 Gangdese :
Dimensions 2500x70 km
Diorite-granodiorite calcoalcalins…quelques traces de
contamination continentale
Mise en place principalement entre 80-100
Ma et 45-65 Ma
 Ladakh -Kohistan:
Dimensions 500x25 km pour le Ladakh;
300km de long pour le Kohistan
Trois épisodes de mise en place : 70100Ma; 50-70 Ma; 25-45 Ma
Relation entre arc du Ladakh et le bloc de
Lhassa?
Problème du décrochement du Karakorum
Double suture, paléogéographie du bloc
controversée
Le ladakh-kohistan est un ancien arc de
subduction qui aurait été accrété à la marga
asiatique à la fin du Crétacé
Gangdese
Photographie du batholite du Ladakh à Nimu.
Subduction Océanique : caractérisé par un arc magmatique
Batholithe Ladakh
+ Flysch dépôt d’avant arc
Quelques structures dans le Ladakh
Plis couché dans la vallée de Sarchu,
Himalaya, Ladakh
ensemble de « petits » plis dans la vallée de Sarchu,
Himalaya, Ladakh
Failles normales dans l'Himalaya du Ladakh
La collision Inde-Eurasie et la
structure de la chaîne
Himalayenne
La chaîne Himalayenne actuelle
Structure de la chaîne Himalayenne : de l’affleurement à la
lithosphère
Structure générale
Structure de la chaîne, domaine par domaine
Structures post-collisionnelles
La formation de la chaîne Himalayenne
Molnar et al., Annu. Rev. Earth Sci., 2010
Réactivation postcollisionnelle
Molnar & Stock, Tectonics, 2009
Extension et effondrement gravitaire de la chaîne
(forces de volume)
Harrison et al., Science, 1992
Les décrochements formés par extrusion latérale : les
décrochements tibétains
Altyn-Tagh
Searle 2008
Les décrochements formés par extrusion latérale : les
décrochements tibétains
GPS
Hatzfeld and Molnar, Rev. Geophysics, 2010
La collision Inde-Eurasie et la
structure de la chaîne
Himalayenne
La chaîne Himalayenne actuelle
Structure de la chaîne Himalayenne : de l’affleurement à la lithosphère
Structure générale
Structure de la chaîne, domaine par domaine
Structures post-collisionnelles
Structure profonde de la chaîne
La formation de la chaîne Himalayenne
Structure lithosphérique
Argand, 1924
Conditions of eclogitization
grt
25-30 kbar, 580-600°C
omph
Métabasaltes :
Eclogite
COESITE, OMPHACITE, GARNET,
GLAUCOPHANE, PHENGITE
Coésite himalayenne en lame mince (lumière
naturelle)
Subduction continentale au niveau de Tso
Morari par ex., ou dans la région
d’Islamabad (Pakistan)
Sachan et al., 2005 described
diamond 40 kbar???
L’hypothèse d’une subduction
continentale telle qu’émise
par Argand est vérifiée
Les éclogites du Pakistan
O Brien et al., 2001
Modèle gravimétrique Himalaya Tibet Jimenez Munt et al., 2007
Fort épaississement de la lithosphère sous l’Himalaya et le sud Tibet.
Fort amincissement sous le Tibet central
Prisme
d’écailles
crustale
Profil sismique passive Indepth 1995 : Au front de la collision
: la chaîne
Himalayenne:
Prisme d’écailles de croûte continentale
Coupe interprétative de la chaîne Himalayenne
Profil SISMOLOGIQUE Indepth
Inde sous Asie, écailles crustales, épaississement, MHT, MCT Rampe, fusion partielle
Sismique passive Fonction récepteur à travers
la partie frontale de la chaîne et dans le plateau Tibétain
Deep
(Chen & Yang, 2004)
Hetényi 2007, Nabelec et al, 09
Main Himalayan Thrust
Permettrait étalement gravitaire?
Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
La collision Inde-Eurasie et
l’orogène Himalayen
La chaîne Himalayenne actuelle
Structure de la chaîne Himalayenne : de l’affleurement à la
lithosphère
La formation de la chaîne Himalayenne
Chronologie de la déformation
Structure générale de la chaîne
Himalayenne
Hatzfeld & Molnar, Rev. Geophys., 2010
Modèle de type « prisme » privilégie les forces aux limites
Modèle de type « channel flow » privilégie les forces de volumes
Métamorphisme inverse dans le moyen Himalaya/ MCT :
interprétations
Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Métamorphisme et histoire de la collision
Métamorphisme pré-himalayen vers 70 Ma :
collision arc Ladakh Kohistan avec Asie
Age de la subduction de la marge indienne :
Vers 57-55 Ma
(de Sigoyer et al., 2000; Leech et al., 2005;
Guillot et al., 2008)
en accord avec le paleomag
55+ (Klootwijk et al., 1992
Acton, 1999)
En désaccord avec la sédimento
1er sédiment asiatique sur la marge indienne
52 Ma
Ce qui suggère que les reliefs lors de la
subduction de la marge indienne était bas pas
d’érosion
Tso Morari marge distale de l’Inde
Métamorphisme dans le HHC
• M1 =Métamorphisme Eohimalayen prograde de HP
de 1-1,4 GPa 600-700°C vers 44-30 Ma granulite
HP (ex Arun). Traduit l’enfouissement précoce du
HHC avant la relaxation thermique
• M2= Métamorphisme Néo Himalayen daté entre 2316 Ma = pic thermique acquis pendant la
décompression migmatisation 0.8 GPa 750800°C Leucogranite
• M3= Métamorphisme Tardi himalayen 14-10 Ma;
refroidissement 450-500°C 0.5-0.3 GPa marque la
fin de l’activité ductile du MCT; correspond au
passage du MCT sur une rampe du MHT
• L’activation du MBT se fait vers 10-12Ma
Épisodes métamorphiques grossièrement
contemporains avec les changements
cinématiques enregistrés dans l’Océan Indien?
Résumé de l’histoire de la chaîne
Guillot et al., G3, 2003
Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
• avant 55 Ma Vc
=18cm/an
• De 55-35 Ma
Vc>10 cm/an
>2000 km
• De 35-0 Ma
Vc>5 cm/an
>1750 km
Convergence totale
>3750 km
Données
paléomagnétiques
Molnar & Stock, Tectonics, 2009
Klootwick et al., 1992
Mais de fortes
incertitudes (de
l’ordre de 1000
km!!!)
La Grande Inde : controverses
???
Longueur pré-collision de la marge?
Différents scénarii de collision selon la forme de la grande Inde considérée
Problème dans les estimations du raccourcissement
Un scénario extrême où la collision ne commencerait qu’à 20 Ma
Van Hinsbergen et al., PNAS, 2012
Une reconstitution
possible de la chaîne au
moment de la collision
HAFKENSCHEID ET AL, JGR, 2006
SLAB BREAK-OFF
Around 45 Ma?
Khon & Parkinson, Geology, 2002
Plusieurs Slab-break
off?
Guillot et al., G3, 2003
Clark, Nature, 2012
HAFKENSCHEID ET AL, JGR, 2006
Conclusions
• Timing de la collision?
• Dimensions de la Grande Inde?
• Signification des changements cinématiques
enregistrés dans les océans?
• Formation des reliefs du haut Himalaya?
• Structure de la chaîne sous le plateau
tibétain?
Suture de Shyok