Rôle de l`héritage de la subduction Triasique de la Paléotéthys dans

Rôle de l’héritage de la subduction Triasique de la Paléotéthys dans la déformation court
terme/long terme et dans l’épaississement de la bordure Est du plateau Tibétain
Directeur de thèse : Julia de Sigoyer Professeur en tectonique Université Grenoble Alpes [email protected]
Co direction Stéphane Guillot DR, géologue, ISTerre, Université Grenoble Alpes [email protected]
Participation : Cécile Lasserre INSAR et Anne Replumaz, Tectonique de l’ISTerre, Université Grenoble Alpes. Pierre
Lanari Post Doc pétrologie et géochronologie, Université de Berne (Suisse),
1- Problématique scientifique de la thèse
Un défi majeur des Sciences de la Terre est la description du fonctionnement et de l’évolution de la lithosphère
continentale comme la résultante de nombreux phénomènes qui se succèdent dans le temps. Ces processus se
déroulent sur des constantes de temps caractéristiques très variables, depuis la centaine de millions d’années jusqu’à
la seconde. Ils affectent tous les niveaux de la lithosphère continentale.
Il est encore difficile de relier la reconstitution des évènements passés structurant la lithosphère continentale sur
une large échelle de temps avec les processus impliqués dans la déformation active (court terme), notamment parce
qu’elle est localisée (en surface) et s’appréhende à travers des études géophysiques mises en œuvre sur une échelle
spatiale souvent vaste. Néanmoins les résultats obtenus sur le plateau Tibétain montrent à quel point l’héritage
géologique (structural, thermique, minéralogique) structure l’activité présente de la lithosphère (e g. Guillot et
Replumaz, 2013).
Le plateau tibétain constitue la structure géologique la plus remarquable à la surface de la Terre, avec une surface à plus
de 4500m d’altitude. La croûte sous le plateau tibétain est anormalement épaisse puisqu’elle atteint les 80 km d’épaisseur par
endroit, alors que le manteau lithosphérique est anormalement fin. Les modalités d’épaississement du plateau Tibétain ainsi que
son calendrier reste des questions scientifiques largement débattues et emblématiques des études du comportement de la
lithosphère continentale. Des modèles, considérant des profils rhéologiques opposés pour la lithosphère (Jackson, 2002; Burov
and Watts, 2006), se proposent aujourd’hui d’expliquer l’épaississement crustal du plateau tibétain ainsi que son soulèvement.
Chaque modèle de formation du plateau (propagation d’un chenal à faible viscosité (Burchfiel et al., 2008), épaississement par
raccourcissement crustal (Hubbard et al., 2010) associé à de l’extrusion le long de grands décrochements (Tapponnier et al.,
1982 ; 1990) implique un calendrier et des modalités différentes de l’épaississement de l’extrusion et de la surrection. Ainsi en
précisant ces calendriers, et la structure de la lithosphère nous espérons discriminer entre les modèles proposés et préciser la
rhéologie et l’évolution de la lithosphère de cette bordure du plateau Tibétain.
Fig 1 : (a) Carte de l’ensemble
Inde-Asie, le rectangle représente la
zone d’étude. b) Schéma structural du
plateau Tibétain et des blocs continentaux
l’entourant (Pubellier et al.,et al.,et
al.,2008). Les unités en rose ont été
accrétées au Trias supérieure au bloc
eurasiatique. Le rectangle représente la
zone d’étude. c) Carte de la bordure
orientale de l’unité de Songpan Garze
plateau Tibétain central,modifiée d’après
de Sigoyer et al. (2014). Notez la chaîne
des Longmen Shan à l’Est, la faille des
Kunlun au nord et la faille de Xianshuihe
au sud.
Savoir quand et comment la lithosphère continentale s’est épaissie nécessite de répondre à ces questions:
(a) Quelle était la rhéologie de la lithosphère Tibétaine avant la collision Inde Asie?
(b) Pourquoi et comment certaines grandes structures héritées se réactivent à partir du Cénozoïque?
(c) Est ce que le raccourcissement de centaines de kilomètres de lithosphère continentale se fait par subduction continentale, par
extrusion,par épaississement homogène, ou par épaississement localisée de la croûte supérieure?
(d) Qu’est ce qui contrôle les modalités de ces divers processus d’épaississement et d’extrusion?
Quand le plateau s’est il élevé?
2- Objets d’études et méthodes
L’héritage structural et minéralogique et rhéologique de la lithosphère tibétaine avant la collision Inde-Asie.
Le plateau Tibétain est une succession de terrains accrétés au bloc Eurasiatique depuis la fin du Paléozoïque jusqu’au
Cénozoïque (Fig 1b). La partie centrale du plateau Tibétain est constituée des unités de Songpan Garze et de
Qiantang, en rose sur la (Fig. 1) ; accolées au bloc eurasiatique depuis la fin du Trias à la suite de la fermeture de la
Paléotéthys (Fig. 2). Outre le fait que le Tibet central constitue une des zones les moins bien connues du Tibet, les
bordures de ces zones sont soit exhumées comme dans la chaîne des Longmen Shan ce qui offrent l’opportunité de
tester l’importance de l’héritage structural, minéralogique et thermique dans l’épaississement ; soit elles sont
décrochantes le long de failles actives comme la faille des Kunlun ou de Xianshuihe et permettent l’étude de l’extrusion
si caractéristique du plateau Tibétain (Fig. 1c).
.
Fig. 2 : Evolution schématique de la fermeture de la Paléotéthys au
Trias (de Sigoyer et al., 2014)
Les failles blanches sont actives les noires inactives. Kunlun
Anyemaqen Suture (KAS), Jinsha Suture (JS), Litang Garze Suture
(LS), Yidun arc (yi), Yushu arc continental (yu).
L’unité de Songpan Garze et ses bordures représentent les reliques de la double subduction de l’océan Paléotéhys au
Trias supérieur le long de la suture Anyemaqen-Kunlun au nord et le long de la suture de Jinsha sous le bloc de
Qiantang au sud (de Sigoyer et al., 2014) (Fig. 2). Les bordures du bloc de Songpan Garzesont réactivées au
Cénozoïque lors de la collision Inde-Asie. Ainsi uun décrochement senestre réactive la zone de suture d’Anyemaqen
au Nord le long de la faille des Kunlun (Fig. 1c). Cette zone est également le siège d’une probable subduction
continentale du bloc de Qaidam sous l’unité de Songpan Garze comme le suggère l’imagerie sismologique de cette
bordure (Vergne et al., 2003 ; Wittlinger et al.2004).
La zone de subduction de Jinsha au sud de l’unité de Songpan Garze était complexe au Trias (de Sigoyer et al.,
2014). Dans sa partie orientale, elle est réactivée en faille décrochante le long de la faille de Xianshuihe. La partie
centrale et occidentale de la zone de suture de Jinsha pourrait être le siège d’une subduction continentale depuis le
Cénozoïque de la lithosphère de Qiantang sous le bloc de Songpan Garze (Replumaz et al., 2010 ; Guillot et
Replumaz, 2013).
Qu’est ce qui contraint la limite entre cette subduction continentale et la terminaison de la faille de Xianshuihe ?
Sont elles contemporraines ?
a) La zone de faille de Xianshuihe
La zone de faille senestre de Xianshuihe longue de 350 km, dont la terminaison occidentale est mal définie, se
subdivise en quatre failles principales : la faille de Xianshuihe orientée NW, la faille de Anninghe orientée NS, la faille
de Zemuhe orientée NNW et la faille NS de Xiaojiang. La vitesse moyenne de glissement sur ces failles est 15 mm/a
dans la partie NW et de 5 à 8 mm/a au SE. 35 séismes de Mw >6 ont affecté la faille depuis 1700. Ils indiquent une
sismicité segmentée, avec un temps de récurrence variable d’un segment à l’autre (Wang et al., 2013). Le dernier gros
séisme Mw 6,9 a rompu le segment NW de la faille de Xianshuihe, dans la région de Yushu en avril 2010. Les séismes
de Wenchuan en mai 2008 Mw 7.9 et de Lushan en avril 2013 Mw 6.3 au front des Longmen Shan (la bordure orientale
de l’unité de Songpan Garze) ont mis en charge la faille de Xianshuihe (Shan et al., 2013) accroissant l’aléa sur cette
faille et notamment les zones de gap sismique. Ainsi il est urgent de savoir ce qui contrôle la segmentation de la zone
de faille de Xianshuihe. Les segments de Luhuo et Daofu qui n’ont pas rompu récemment, enregistrent une
microsismicité, du creep (Liu et al., 2013).Est ce que les variations lithologiques liées à la subduction Mésozoïque de la
Paléotethys sous le bloc de Qiantang, permettant localement la mise à l’affleurement de roche mantellique peuvent
expliquer cette segmentation?
Il a été clairement identifié sur d’autres accidents décrochants que les variations régionales de sismicité et
notamment la localisation des zones de creep ou de glissement asismique peut être corrélées à la nature des roches
dans le plan de faille. La présence de serpentines par exemple affaiblie considérable les propriétés mécaniques des
zones de failles où elles se trouvent (Hirth and Guillot, 2013). La caractérisation des variations lithologiques le long de
la faille de Xianhshuihe représente un des objectifs de cette thèse.
De même nous pensons qu’une meilleure connaissance de la subduction Mésozoïque de la Paleothéthys sous le
bloc de Qiantang nous permettrait de comprendre où et pourquoi il se produit la transition entre du raccourcissement le
long d’une probable subduction continentale et de l’extrusion senestre le long de la faille de Xianshuihe. En effet la
subduction de la Paléotéthys sous le bloc de Qiantang a permis l’hydratation du coin mantellique situé à l’aplomb de la
zone de subduction. Cet ammolissement du manteau hérité de la subduction Mésozoïque pourrait expliquer la
localisation de la subduction continentale entre les blocs de Qiantang et de Songpan Garze.
b) Impact rhéologique de l’orogénèse Mésozoïque sur l’épaississement du plateau Tibétain :
La chaîne des Longmen Shan qui borde l’unité de Songpan Garze à l’Est a accommodé près de 35 km de
raccourcissement crustale au Cénozoïque (Hubbard et al., 2010). L’épaississement de la croûte tibétaine jusqu’à 60
km observée par la sismologie passive Fig. 3 (Robert et al., 2010 a, b), ne s’explique pas par l’unique tectonique
Cénozoïque. Une part importante de cet épaississement au moins 20% est hérité de l’histoire Mésozoïque de cette
région comme le montre les études thermochronologiques (Godard et al., 2009, Wang et al., 2012).
La bordure orientale de l’unité de Songpan Garze représentait au début du Mésosoïque une zone de dépôts
deltaïque comparable à celle du Gange aujourd’hui. Cette couverture sédimentaire s’est structurée sous forme d’un
énorme prisme d’accrétion au Trias supérieur chevauchant sur la marge passive Chine du Sud lors de la fermeture de
la Paléotéthys (Fig. 1, 2). La base de ce prisme est exhumé dans la chaîne des Longmen Shan. Les premières études
métamorphiques dans cette zone montrent que l’épaississement du prisme d’accrétion a pu atteindre près de 30 km.
Constitué de matériel très radiogénique cet épaississement a conduit a une augmentation de température, accentuée
par une probable déchirure lithosphérique a donné lieu à du magmatisme au Trias supérieur (de Sigoyer et al., 2014).
Les études thermochronologiques montrent que le refroidissement de ce prisme a été très lent (Roger et al., 2003).
Cette zone était encore épaissie et thermiquement amollie lors de réactiviation Cénozoïque. Ainsi nous proposons que
la croûte du Songpan Garze thermiquement amollie s’est raccourcie en partie de façon homogène au Cénozoïque,
sous la pression du craton Chine du sud resté froid qui indente cet ensemble (Fig. 3).
Cette proposition a le mérite d’expliquer l’abrupt saut de Moho (20km sur 30km de large) entre le craton Chine du
Sud et le plateau Tibétain. Cette proposition doit être confrontée à davantage de données tectono-métamorphiques et
géochronologiques à acquérir dans cette thèse.
Fig. 3 : Interprétation de l’image fonction récepteur d’une étude sismologique menée à travers les Longmen Shan (Robert et al., 2010a,
b). L’interface à 15 km de profondeur représenterait un niveau de décollement hérité du prisme triasique du Songpan Garze. L’impact
thermique de ce prisme triasique, et de la « tear fault » en bordure de marge Chine du Sud (de Sigoyer et al., 2014), expliquerait que la
lithosphère Tibétaine soit thermiquement amollie par rapport au craton Chine du Sud.
3- Chantiers et Outils :
Cette étude se déroulera sur deux bordures de l’unité de Songpan Garze qui présentent des caractéristiques très
contrastées et devraient permettre de progresser sur la problématique avancée (épaississement/extrusion). Une partie
de l’approche sera commune aux deux zones. Il/Elle débutera par une étude de terrain effectuée au cours de plusieurs
missions longues (au moins deux dans la thèse automne 2014 et printemps 2015). Le(a) doctorant(e)s’attachera à
comprendre l’évolution tectonique et métamorphique de ces zones. Il/Elle échantillonnera pour la caractérisation
métamorphique de ces zones.
1)
Sur la bordure méridionale: Les modalités de la réactivation de la zone de suture de Jinsha (subduction
continentale versus faille de Xianshuihe) seront étudiées pour la bordure sud. Pour cela Le(a)
doctorant(e) recherchera les marqueurs de la subduction Mésozoïque tels que des serpentines, pour
avoir des informations sur l’état d’hydratation du coin mantéllique. Les xenolithes prélevés dans des laves
d’âges différents permettront de d’envisager l’évolution chimique et minéralogique qu’a connu cette
portion de manteau depuis le Mésozoïque (Spurlin et al., 2006 ; Liu et al., 2011). Un échantillonnage
extensif mais exploratoire a été réalisé en 2013 et sera complété lors d’une campagne de terrain à
l’automne 2014. Le(a) doctorant(e) participera à cette seconde campagne et pourra ainsi se familiariser
avec l’objet d’étude et avec l’équipe encadrante. Concernant l’étude la segmentation de la zone de faille
de Xianshuihe, il/elle devra à partir des études de sismologie et de géodésie existantes déterminer les
différents segments de cette faille. Il s’agira en particulier d’identifier les segments en creep afin de les
caractériser pétrologiquement par rapport aux autres segments. Sur les segments en creep une étude
INSAR viendra apportée des compléments sur la quantité de glissement enregistrée par ce segment de
faille.
2)
Sur la bordure orientale : Les modalités de l’épaississement dans l’unité de Songpan Garze et la chaîne
des Longmen Shan depuis le Mésozoïque pour la bordure orientale. Cette étude nécessite une approche
de pétrologie haute résolution associée à une étude structurale et géochronologique de la bordure
orientale de l’unité du Songpan Garze. Cette partie de l’étude s’appuiera sur les travaux préliminaires
menés dans le cadre des thèses de A. Robert et de A. Billerot pendant lesquels un échantillonnage
exhaustif a été éffectué et pourra être complété par une étude tectonométamorphique le long d’une
coupe ou deux si nécessaire. La température de ces échantillons sera déduite de la caractérisation par
spectroscopie Raman de la graphitisation de la matière organique. La pétrologie haute résolution se
réalisera au travers de cartographies élémentaires à la microsonde électronique des assemblages
minéralogiques caractéristiques. De la géochimie in situ (notamment par ablation laser ICPMS et chimie
isotopique) sera alors conduite ainsi de la géochronologie Ar-Ar in situ (en collaboration avec P. Monnier,
Montpellier) et U-Pb in situ (en collaboration avec V. Bosse, Clermont-Ferrand), pour contraindre
temporellement l’évolution métamorphique identifiée. Enfin l’ensemble de ces données devra conduire à une réflexion à l’échelle de la partie orientale de l’unité de
Songpan Garze et permettre l’établissement d’un modèle géodynamique pour cette portion du plateau Tibétain.
4- Intégration de la thèse dans le laboratoire de l’ISTerre et collaborations
Cette thèse s’intégrerait dans l’équipe « Tectonique, reliefs et bassins » du laboratoire de l’ISTerre de l’université
Grenoble-Alpes dans laquelle se trouvent S. Guillot A. Replumaz et J. de Sigoyer (équipe secondaire). Cette équipe
s’intéresse en particulier à la déformation de la lithosphère en convergence continentale et en particulier à la formation
des hauts plateaux continentaux. Néanmoins une forte collaboration avec l’équipe « cycle sismique et déformations
transitoires » est envisagée. En particulier avec C. Lasserre et MP. Doin qui se engagées dans l’étude de la
déformation au Tibet central à partir de mesure par interférométrie radar (InSAR). Cette thèse s’insère dans cette
thématique en proposant une étude très localisée sur un segment de la faille de Xianshuihe. Les interactions 3D et
temporelles qui pourront être mise en évidence entre le système de failles actives qui bordent l’unité du Songpan
Garze et sa déformation interne seront confrontés aux résultats des études plus long terme acquis par les études
tectonométamorphique et pétrologiques de cette thèse.
L’étude INSAR couplée à l’étude pétrographique grande échelle à travers cette bordure tibétaine permettra
d’appréhender des déplacements continus dans un ensemble aussi vaste bordé de discontinuités.
La modélisation des déplacements actuels de cet ensemble permettra de contraindre le coefficient de friction des
failles bordant l’unité de Songpan Garze et la ductilité de la lithosphère, ainsi que le rapport entre forces aux frontières
et énergie gravitationnelle, en prenant en compte les variations de rhéologie lié aux variations lithologiques.
Dans le « détail » l’étude INSAR et pétrologique sur le segment qui creep de la faille de Xianshuihe renseignera
sur les coefficients de friction que connaît la faille sur cette portion.
D’importantes interactions avec l’équipe « Minéralogie et Environnements » de l’ISTerre seront nécessaires pour
leur expertise en thermobarométrie et géochronologie de haute résolution, via des collaborations avec E. Janots, O.
Vidal ainsi qu’avec P Lanari post-doctorant à l’université de Berne qui a effectué sa thèse au sein de cette équipe. Des
collaborateurs externes à l’ISTerre interviendront dans cette thèse en particulier P. Monnier de l’Université de
Montpellier et V. Bosse de Clermont Ferrand pour les datations. Enfin les collaborations ont été mises en place il y a
plusieurs années avec nos partenaires chinois, le Prof. Xu Xiwei du CEA de Pekin et le Prof. Li Yong de l’université
Technologique de Chengdu (CDUT) permettent de réaliser les missions de terrain nécessaires à ce projet.
5- Financements
Deux ANR sont en cours sur ce sujet montrant l’intérêt que porte la communauté scientifique à ces questions de
formation du plateau dans le Tibet central. La totalité des analyses, des missions et de la recherche (en dehors des
salaires) dans le cadre de cette thèse seront pris en charge par ces financements ANR.
• ANR DSP Tibet « Etude des Processus profond et de surface dans le Tibet Central, Comparaison avec le
massif de Bohème» portée par S. Guillot, (2014-17)
• ANR JC Longriba : « La faille de Longriba : la clef pour comprendre la tectonique de la marge est du plateau
tibétain ? » portée par J. de Sigoyer (2013-2016)
6- Bibliographie
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