petro-dorsales_l3 - LE SITE DE MATHIEU RODRIGUEZ
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Pétrologie de la lithosphère océanique au niveau des dorsales Cours L3 Géosciences Ecole normale supérieure Par Mathieu Rodriguez Les ophiolites de Masirah (Est Oman), vestiges de la fragmentation du Gondwana et de l’ouverture du proto-océan Indien au Jurassique sup. Les dorsales océaniques Carte des fonds océaniques Modèles cinématiques (From NUVEL 1A, DeMets et al., 1994) Différentes vitesses d’ouverture océanique Dorsales rapides (>10 cm/a), intermédiaires (5-10 cm/a), lentes (<5 cm/a), ultra-lentes (~1 cm/a) Différences morphologiques, structurales, pétrologiques entre les différents types de dorsales? Morphologie des dorsales East Pacific Rise (rapide) Dorsale de Sheba, Golfe d’Aden (lente) Dorsale Atlantique (lente) Dorsale SW Indienne (ultra-lente) Morphologie des dorsales Juan de Fuca –segment Cleft(Pacifique) Dorsale intermédiaire Stakes et al., G3, 2005 Signature topographique différente selon le taux d’expansion Les core complexes océaniques Massif d’Atlantis (Océan Atlantique); Blackman et al., JGR, 2011 Dorsale SW Indienne; Cannat et al., EPSL, 2009 Godzilla Megamullion (Parace-Vela); Harrigane et al., Lithos, 2011 (mégamullions rencontrés sur des dorsales ultra-lentes à intermédiaire – Godzilla se trouve sur une dorsale fonctionnant à 7 cm/an) Les surfaces de détachement à l’affleurement MacCleod et al., EPSL, 2009 Corrugations révélées par sonar TOBI au niveau d’un core complex de la dorsale Atlantique (13°N) La lithosphère océanique vue en sismique Les réflecteurs ne correspondent pas forcément aux changements de nature pétrologique des roches Basalte? Gabbros? Moho « sismique » Profil dans la LO Pacifique, proche du Japon (modèle de vitesse très simplifié, la réalité est plus complexe…voir cours de Matthias) Les chambres magmatiques : distribution AML : Axial magma lenses Profils sismiques montrant la distribution des lentilles de magma au niveau de la dorsale rapide de l’East Pacific Rise… A différentes profondeurs et pas forcément localisés sous l’axe East Pacific Rise Aghaei et al., G3, 2014 Les chambres magmatiques : distribution East Pacific Rise Aghaei et al., G3, 2014 Distribution des lentilles de magma au niveau de la dorsale rapide de l’East Pacific Rise… A différentes profondeurs et pas forcément localisés sous l’axe Pas de lentilles (chambres) magmatiques observée au niveau des dorsales lentes…Zones de bouillie de cristaux? Comment étudier la pétrologie de la lithosphère océanique? La bathymétrie, la sismique (réflexion et réfraction) apportent déjà beaucoup à la compréhension de la structure de la lithosphère océanique…mais nécessité d’échantillons pour étudier les processus pétrologiques! Ophiolites de Masirah (Est oman, vestige du proto océan indien jurassique) Basaltes en coussin Les ophiolites, fragments de lithosphère océanique fossile affleurant à terre Limites : la croûte n’est plus en place, a pu être altérée par les pluies, et perdre sa structure initiale lors d’évènements tectoniques Expéditions en submersible et forages in-situ Limite : couteux! Limite des 2 approches : pas d’observation en continu des processus actifs au niveau des dorsales (volcanisme, hydrothermalisme…). Des dispositifs d’observation continue sont en train d’être mis en place sous la forme de grands programmes internationaux Cas particulier de MacQuarie : ride océanique en place (non obduite) où la lithosphère océanique est en partie émergée! LE TERME OPHIOLITE DÉSIGNE UNE ASSOCIATION DE ROCHES MAGMATIQUES (GABBROS ET BASALTES) ET ULTRABASIQUES (PÉRIDOTITES) PLUS OU MOINS SERPENTINISÉES, REPRÉSENTANT UNE PORTION DE LA LITHOSPHÈRE OCÉANIQUE GÉNÉRÉE AU COURS DE L'ACCRÉTION IL Y A ENVIRON 150 OPHIOLITES QUI REPOSENT SUR LA CROÛTE CONTINENTALE À TRAVERS LE GLOBE. ELLES ONT ENTRE 2 GA (AU QUÉBEC) ET 2 À 3 MA (AU CHILI). Rappels : minéraux principaux • • • • • Olivine Olivine serpentinisée Pyroxène (ortho-; clino-) Plagioclase Amphibole Dorsale lente, exemple de l’Atlantique Du fait de la différence d’âge des lithosphères de part et d’autre de la transformante, des coupes entières de lithosphère océanique affleurent sous l’océan Expéditions en submersible au niveau de la transformante de Vema, Océan Atlantique Central Lithosphère formée par une dorsale lente, exemple de l’Atlantique (section de Vema) Lagabrielle & Leroy, « le visage changeant de la Terre », CCGM 2005 Lithosphère formée par une dorsale lente, exemple de l’Atlantique (Zone de Fracture de Kane) Un analogue ophiolitique de dorsale lente : les ophiolites du Chenaillet Briançon, 1 : 50 000° Lherzolite Ophiolite Type : LOT Gabbros ( Texture Grenue, plagioclase blanc et le pyroxène Brun) Filons de basalte À travers gabbros Présence de pyroxène indique une Lherzolite : la fusion partielle n’a pas été très importante Péridotites serpentinisées Le manteau est hydraté par l'eau de l'océan et transformé en serpentinite Basaltes en coussin du Chenaillet Échantillon de variolite Le filon de basalte sert de conduit d'alimentation pour les laves en coussins. http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/diversite-des-ophiolites.xml Filon de basalte +Radiolarites (sédimentation pélagique siliceuse des grands fonds) Affleurement de plagiogranite et de serpentinite Plagiogranite, marqueur de la cristallisation fractionnée au sein de la lithosphère Une reconstitution possible du fond océanique de l’Océan Alpin 1. LHERZOLITE SERPENTINISÉE (MANTEAU) 2. GABBROS 3. BRÈCHE (TALUS DE DEBRIS) 4. VOLCANS À LAVES EN COUSSINS. Dorsale rapide, exemple du Pacifique Expéditions en submersible Dorsale rapide, exemple du Pacifique Y. Lagabrielle, http://geomorphologie.revues.org/281 Un analogue ophiolitique de lithosphère formée par une dorsale rapide : les ophiolites du Semail, Sultanat d’Oman http://christian.nicollet.free.fr/page/oman/oman.html Harzburgite Ophiolite Type : HOT Harzburgite : péridotite riche en olivine, appauvrie en pyroxène, ce qui indique une forte fusion partielle Le toit de la séquence ophiolitique du Semail : des radiolarites (sédimentation siliceuse profonde) sur des basaltes en coussin) Basaltes en coussins (pillow lavas) Les coussins sont des tuyaux d'écoulement de la lave sur les flancs d'un volcan sous-marin Dépôts hydrothermaux Le complexe filonien Des dykes basaltiques à perte de vue… Les gabbros La taille des cristaux et la texture de ces gabbros isotropes sont variées A la ride Pacifique, les géophysiciens ont montré qu'il existait sans doute une lentille magmatique liquide au sommet de la chambre magmatique (laquelle est une "bouillie cristalline", un mélange de cristaux et magma, sous forme de sills ? ). Les gabbros isotropes pourraient représenter cette lentille fossilisée. L'abondance de l'amphibole montre le rôle majeur de l'eau qui pénètre, en relative abondance, jusqu'à la chambre magmatique Le clinopyroxène (brun) de ce gabbro isotrope est entouré d'une couronne d'amphibole. Gabbros lités Ce litage rythmique, souvent graduel, est constitué de l'alternance de lits clairs riches en plagioclase et de lits sombres riches en minéraux ferromagnésiens (clinopyroxène, olivine et rarement orthopyroxène). les différents minéraux du gabbros sont bien visibles : le plagioclase est blanc, le pyroxène est noir et l'olivine, orangé Moho- filons & poches de gabbros à travers le manteau deux minéraux essentiels de cette harzburgite. L'olivine doit sa couleur brunâtre à une serpentinisation partielle. L'orthopyroxène centimétrique est brun-vert l'orthopyroxène peut disparaître ; la roche rouge uniforme est une dunite Reconstruction de la lithosphère « HOT » à l’origine des ophiolites du Semail Formation de la lithosphère océanique Formation de la lithosphère océanique Moho pétrologique Diversité des ophiolites (Penrose) DANS LE CAS DES OPHIOLITES D'OMAN , QUI SONT ISSUES D'UNE DORSALE RAPIDE, TYPE PACIFIQUE, ON RECONNAIT LA SUCCESSION CLASSIQUE DE PILLOW LAVA SURMONTANT UN IMPORTANT COMPLEXE FILONIEN, PUIS DES GABBROS ET ENFIN DES PÉRIDOTITES À LA BASE DU SYSTÈME. DANS LE CAS DES DORSALES LENTES , ON NE TROUVE JAMAIS CETTE SUCCESSION. EN EFFET, LE COMPLEXE FILONIEN EST TRÈS RÉDUIT IL CORRESPOND À QUELQUES DYKES ÉPARSES TRAVERSANT DES GABBROS OU DES PILLOW LAVA. DE PLUS LES GABBROS SONT LE PLUS SOUVENT SOUS LA FORME DE POCHES PLURIDÉCAMÉTRIQUES À L'INTÉRIEUR DE PÉRIDOTITE SERPENTINISÉE, QUI AFFLEURENT DIRECTEMENT SUR LE FOND OCÉANIQUE. LE MASSIF DU CHENAILLET (2600 M) REPRÉSENTE AINSI UNE PORTION DE LITHOSPHÈRE OCÉANIQUE À EXPANSION LENTE EN 1972, LES PARTICIPANTS DE LA PENROSE CONFERENCE PROPOSENT UNE DÉFINITION DU "LOG OPHIOLITIQUE" QUI COMPREND, DE HAUT EN BAS : LE COMPLEXE VOLCANIQUE BASIQUE DE LAVES EN COUSSINS (= PILLOWS LAVAS ) LE COMPLEXE FILONIEN COMPOSÉ DE FILONS VERTICAUX COLLÉS LES UNS AUX AUTRES LE COMPLEXE GABBROÏQUE, LITÉ DANS SA PARTIE INFÉRIEURE, ISOTROPE AU-DESSUS LE COMPLEXE ULTRABASIQUE CONSTITUÉ DE PÉRIDOTITES DE TYPE HARZBURGITE, LHERZOLITE, DUNITE EN PROPORTIONS VARIABLES Comme toute classification, elle est arbitraire il ya tous les intermédiaires entre le modèle LOT et le modèle HOT http://planet-terre.ens-lyon.fr/article/diversite-des-ophiolites.xml Comme toute classification, elle est arbitraire il ya tous les intermédiaires entre le modèle LOT et le modèle HOT La séquence ophiolitique n’est pas toujours complète… Au niveau des dorsales lentes, la couche de basalte en coussins est souvent absente (sédiments directement sur les gabbros ou le manteau) Pétrologie des core complex océaniques Comment se fait l’exhumation du manteau dans un contexte de lithosphère océanique? Rôle des apports en magma sur la localisation des contraintes? Corrugations révélées par sonar TOBI au niveau d’un core complex de la dorsale Atlantique (13°N) Atlantis Bank, Dorsale SW Indienne 330 km² 10-13 Ma-old Miranda and John, G3, 2010 Prélèvement de roches à différents emplacements Faciès granulite (800-950°C) Foliation Minéraux principaux : Olivine+clinopyroxène +orthopyroxène+plagioclase Porphyroclaste de pyroxène, entouré de néobalstes de pyroxène Fractures remplies d’amphibole (brune) recoupant la proto foliation mylonitique Foliation mylonitique : Bandes de plagioclase en alternance avec des bandes de porhyroclastes de pyroxène « œil » d’olivine pris en cisaillement entre deux plans (rotation du grain) Plagioclase cisaillé, avec des grains recristallisés suivant une direction oblique, témoin du cisaillement Faciès amphibolite (500-700°C) Mylonitisation, Porphyroclaste d’amphibole avec un cœur de pyroxène « en relique » alternance de Minéraux principaux : Plagioclase+amphibole+pyroxène bandes de plagioclases et Faciès amphibolite sup. d’amphiboles Micro-failles découpant un porphyroclaste de plagioclase Schistes amphibolitiques, surligné par les amphiboles pl Amph Fracture à traves la foliation (remplie par un sphène) Faciès amphibolite middle amphibolite grade mylonitic shear zone Minéraux principaux : Plagioclase+amphibole (brune et verte) Les pyroxènes au cœur des amphiboles disparaissent Faciès amphibolite intermédiaire. Amph pl Un peu de déformation cassante (fractures) Faciès amphibolite Minéraux principaux : Plagioclase+amphibole (brune et verte) Faciès amphibolite inf. Foliation (amphibole/plagiolase) Les amphiboles brunes sont altérées en amphiboles vertes Amphibole micro faillée! Fractures, remplies d’amphiboles (cicatrisation) Recristallisation au sein de la foliation Les amphiboles isolent des îlots de plagioclases recristallisés lower amphibolite grade samples Faciès schiste vert (250-350°C) Minéraux principaux : Amphibole (verte)+epidote+chlorite+plagioclase Les 3 premiers grandissent aux dépends des plagioclases Orientation préférentielle Textures du faciès schiste vert Bilan Down-temperature strain localization within the ductile, semibrittle, and brittle regimes associated with initiation and slip on the detachment fault system at Atlantis Bank is summarized as follows (1) At granulite grade conditions (910– 862C), dynamic recrystallization of plagioclase dominates the initial localization of strain. (2) At amphibolite grade conditions, strain is accommodated by both dynamic recrystallization of plagioclase and dissolution-precipitation creep of amphibole at temperatures 820–600C. (3) At greenschist grade conditions (450–300C), strain is localized by reaction softening due to growth of chlorite. (4) At subgreenschist grade conditions (<300C), strain is localized by brittle fracturing and cataclasis. L’isolation des plagioclases avec le développement des amphiboles inhibe les processus de recristallisation dynamique à l’échelle de la roche ->transition vers un mode de déformation « précipitation/dissolution » Faciès amphibolite Faciès schiste vert Début de l’arrivée de fluides, avec à terme le remplacement des plagioclases et des pyroxènes par l’amphibole, qui forme la nouvelle phase « dynamique », rhéologiquement faible, qui localise la déformation Déformation semi-cassante Infiltration des fluides par les fractures et zones de cisaillement Faciès granulite Plagioclase est le minéral qui subit le plus de transformation et de déformation, et contrôle la rhéologie dans ce faciès Faciès peu hydraté (recristallisation de phase anhydre comme Ol ou Px) Déformation Plastique Miranda and John, G3, 2010 Bilan Schematic section through the upper 100 m of the detachment fault shear zone. The upper portion of the shear zone comprises hightemperature mylonitic shear zones overprinted by amphibole and chlorite schists; both of these rock types are incorporated into fault breccias immediately below the detachment fault slip surface Miranda and John, G3, 2010 Modèle de formation d’un core complex océanique à partir des observations pétrologiques Développement d’un core complex océanique : Étape 1 : la partie cassante et ductile du détachement se mettent en place, selon une géométrie listrique; Etape 2 : le glissement le long de la faille induit la rotation et le basculement des blocs au toit de la faille. Le compartiment inférieur commence à se soulever sous l’effet de la dénudation tectonique Etape 3 : le mur est dénudé et forme le dôme métamorphique, et expose à la surface les vestiges de la foliation mylonitique ductile, sur laquelle peut se surimposer la déformation cassante active Déformation cassante localisée sur des zones de moins d’un mètre d’épaisseur; Déformation ductile sur plusieurs mètres… Les cores complexes océaniques permettent de contraindre la rhéologie de la lithosphère océanique Le cycle de vie d’un core complex Neovolcanic zone emerged detachment fault Straight ridge axis and symmetrical magmatic accretion magmatic accretion wanes, jump of plate separation, small micro-plate transfer emerged detachment fault Accommodation zones (similar to non-transform offsets) link the offset plate boundary plate separation is focused onto the detachment by strain weakening breakaway When the supply of melt delivered to the footwall is sufficient to cut it completely the detachment will be overwhelmed and terminated. MacCleod et al., EPSL, 2009 Des oceanic core complex dans des ophiolites? Manatschal et al., Lithos, 2011 Manatschal et al., Lithos, 2011
