UE « Synthèses géologiques - Perso-sdt

2009
UE
« Synthèses géologiques »
Thèmes: (1) « Téthys » - Chaînes récentes – (2) Chaînes anciennes
Jacques Déverchère : Chaînes récentes
(1)
Introduction à l’étude des chaînes alpines
(2)
Aspects de la collision Inde-Asie
(3)
Evolution du domaine méditerranéen
La Méditerranée
Cadre et évolution géodynamique
- Introduction: des bassins et des chaînes
- Forces et Mécanismes: forces de volume, subduction, exhumation
- Tectonique active et limites de plaques
- Cinématique instantanée et Cinématique finie
- Principaux événements tectoniques
- Structure des plaques en 3D
- Tectonique cassante-ductile et exhumation des roches métamorphiques
La Méditerranée orientale:
- Mer Egée: Exhumation des roches métamorphiques
- Cinématique de l’extension post-orogénique
- Cinématique « finie »: histoire de la convergence en coupe
- Anatolie: Spéculations sur l’évolution du slab
Site Web de reconstruction cinématique:
http://www.itis-molinari.mi.it/Intro-Med.html
Jacques DEVERCHERE
Certaines illustrations proviennent des cours de
Laurent JOLIVET et Joseph MARTINOD
Méditerranée: recherche de…
• Forces en présence: 2 dominent et entrent en compétition:
– Origine cinématique: Convergence Afrique-Eurasie
– Principales limites de plaques et de microplaques?
– Reconstructions paléotectoniques de la Méditerranée?
– Reconstructions géodynamiques du domaine méditerranéen occidental ?
– Origine gravitaire: Rollback du panneau plongeant
– Mise en évidence?
– Hypothèses pour son existence?
– Conséquences sur la mécanique de l’extension?
– Autres phénomènes dynamiques associés? détachement, délamination lithosphérique,
effondrement gravitaire des chaînes
Bassins en extension
Chaînes de Montagne
De la surface à la profondeur…
• Structures lithosphériques:
–
–
–
–
–
–
Quelles forces de volume?
Réajustements isostatiques?
Variations d’épaisseurs crustales? Lithosphériques? Héritage alpin?
Structures de marges? Symétrie? Nature des transitions continent-océan?
Déformation actuelle: types de déformation? Localisation? Remobilisation des sutures?
Rôle du magmatisme? Structures thermiques des chaînes alpines ?
1
B. Forces de traction du slab et de
viscosité du manteau
A. Forces de volume:
Etalement gravitaire
Modéliser le processus de subduction et ses conséquences sur la tectonique de surface
est compliqué:
• car la subduction est une instabilité
• car on sait très mal quantifier les phénomènes qui contrôlent la subduction
• car la tectonique de surface est souvent modeste par rapport aux vitesses de subduction
(J. Martinod, 2007)
C. Forces responsables de l’exhumation
des roches profondes
D. Contexte « Téthysien »
Modèles variés d’exhumation HP
CAVAZZA, W., ROURE, F., SPAKMAN, W., STAMPFLI, G.M., ZIEGLER, P.A. and the TRANSMED Project Working Groups,The
TRANSMED Atlas: geological-geophysical fabric of the Mediterranean region- Final report of the project. Episodes, 27, 4, 244-254.
2
Les déplacements depuis 70 Millions d’années
Dewey et al., 1989
Vitesses de rapprochement (mm/an) entre
principales plaques (Eurasie fixe)
Autres arguments:
1. Les séismes localisés de 1960 à 2001
Vitesse de convergence dans la zone de subduction?
3
Autres arguments: 2. Les régimes de contraintes actuels (WSM)
Autres arguments:
3. La tomographie sismique
Refs Spakman, Wortel, Bijwaard...
Tomographie sismique
(Piromallo & Morelli, 2003)
Continuité du slab sous l’Egée
Description (texte), références
Coupe chrono-litho-stratigraphique
Coupe tectonique
Rupture du slab sous Bitlis
Faccenna et al., EPSL, 2006
4
Reconstruction:
Afrique-Europe
Chemins P-T-t : Principes
Erosion + tectonique -> exhumation -> empreinte dans les roches
- Relation déformation-recristallisations métamorphiques -> Trajet P-T
- Graduation en Ma grâce aux datations des paragénèses métamorphiques
- Conversion directe des pressions en valeur de la profondeur
Chemin P-T = image du trajet suivi par la roche dans la
lithosphère lors de son enfouissement et de son exhumation
1 chemin = plusieurs contextes tectoniques possibles ->
associer d’autres informations tectoniques!
• Lente convergence
(0.5 à 1 cm/an)
• Vers 30 Ma: Début
extension
(âges radiochronologiques de complexes
métamorphiques)
• Migration de
l’extension en
direction des
subductions
Reconstructions
paléotectoniques
Jolivet et Faccenna, 2001
Faciès métamorphiques: dépendent du gradient géothermique
réel, mais influence de la tectonique sur la façon dont la
rétromorphose métamorphique s’établit
Exhumation: doit être assez rapide (plus que la conduction) –
Echanges de chaleur par conduction, efficaces à courte
distance
Exemples de chemins P-T-t
1. Chemin de rétromorphose dans
une plaque chevauchante, loin de
tout détachement
P
Décompression isotherme
2. Chemin de rétromorphose de
roches au mur d’une faille plate
(détachement)
P
ε = σ / η (σ, T, …)
Refroidissement rapide
par les unités
superficielles par
conduction efficace
Refroidissement
final en surface
T
T
-> Compétition entre phénomènes tectoniques et thermiques
5
Chaînes de montagne et roches métamorphiques de
haute pression - Schistes bleus et éclogites
Chaînes
écroulées
Collapse
/ backarc
basins
et bassins en extension
La Méditerranée orientale:
100-70 Ma ?
- Mer Egée: Exhumation des roches métamorphiques
RHODOPE
60-35 Ma
CYCLADES
PELOPONNESE
CRETE
30-20 Ma
6
Extension Eocène-Oligocène <
Cyclades-Ouest Turquie: complexes métamorphiques type
« Basin and Range »: conditions P-T de HT-BP jusqu’à
l’anatexie (pour le Miocène) – Structures antérieures reprises:
Conditions HP-BT (éocène)
Exhumation
Eocène
Cinématique
inconnue à Tinos
Exemples de Tinos-Naxos : voir carte
Comparer les directions de cisaillement avec la
cinématique actuelle
But: trouver un mécanisme d’exhumation
Exhumation Oligo-Miocène
Bilan Cyclades-Ouest Turquie: Exemples de Tinos-Naxos
EXTENSION
OLIGO-MIOCENE
Détachements avec déformation ductile à cassante très intense
Miocène: Faciès schiste vert (P: 3-4 kbars, T 350-400 °C):
conditions comparables à celles actuelles sous le golfe de
Corinthe
Géométrie d’ensemble: cisaillement vers le nord-est à faible pendage
Granite, granodiorite, migmatites mis en place à la fin du
processus de détachement (19-15 Ma)
7
Le gradient P/T refroidit
du Crétacé supérieur au Miocène
… à un type Mariannes
Le fait de retirer de manière
de plus en plus efficace
les roches situées au-dessus par extension
amène à un complexe de
subduction de plus en plus froid
D’une subduction
type Chili…
8
9
Vitesses actuelles mesurées par GPS (par rapport à l‘Eurasie)
10
Causes des déformations et du mouvement latéral de l’Anatolie-Egée ?
Données géodésiques et
sismologiques -> cinématique
actuelle détaillée
de l’Est Méditerranéen
Dans un référentiel lié à
l’Eurasie:
• l’Afrique se déplace peu
• l’Arabie se déplace vers le
NNO à ~ 17 mm/an
• le bloc d’Anatolie centrale se
déplace vers l’ouest à ~20 – 25
mm/an
• le sud de la Mer Egée se
déplace vers le SO à plus de
30 mm/an
Déplacements mesurés par GPS dans
un référentiel lié à l’Eurasie,
d’après Mc Clusky et al., 2000
Causes du mouvement latéral de l’Anatolie-Egée ?
• Poinçonnement de l’Eurasie par l’Arabie
(Tapponnier, 1977)
poussée exercée par l’avancée de ce continent
(« extrusion »)
Retrait de la fosse
• Subduction de la Méditerranée orientale sous
l’Arc Hellénique et l’Arc Chypriote :
(Berckhemer, 1977)
forte traction car la plaque océanique est âgée et
la convergence Afrique-Europe très lente
=>
Retrait de la fosse
Etude de l’étalement gravitaire de l’Egée à la suite du retrait de la fosse Hellénique :
Dispositif expérimental (Gautier et al., 1999)
11
Les données paléomagnétiques (e.g. Kissel & Laj) mettent en évidence des rotations horaires
Néogènes en Grèce continentale, des rotations nulles ou anti-horaires dans l’ouest de la Turquie
Gautier et al., 1999
Etape suivante:
Expérience avec
effondrement
gravitaire
Modélisation du poinçonnement d’un
continent avec étalement gravitaire
Martinod et al., 2000
Expérience sans
contraste de densité
entre la lithosphère
continentale et le
manteau supérieur
Il faut à la fois une poussée à l’Est et une traction à l’ouest pour déclencher le
mouvement latéral de l’Anatolie
12
L’analyse de l’évolution magmatique et géomorphologique de l’Anatolie orientale
suggère également un détachement de slab au Miocène supérieur
LE PARADOXE
L’extension arrière-arc en Egée remonte à l’Oligocène
(e.g. Gautier et al., 1999)
La collision Arabie-Eurasie date également de l’Oligocène supérieur
(Agard et al., 2005)
Les conditions nécessaires au mouvement vers l’ouest de l’Anatolie
semblent
donc réunies dès cette époque
Pourtant,
la faille nord-Anatolienne n’apparaît qu’au Miocène supérieur –
Pliocène!!!
Keskin, 2003
Dispositif expérimental
Vue de dessus après 28 heures d’expérience
(modèles réalisés à l’Università Roma TRE, thèse V. Regard, 2003)
Début de la collision continentale
13
Avec détachement
de slab
Sans détachement
de slab
28 heures
30 heures
Détachement de slab sous la zone de
collision continentale -> Accélération du
raccourcissement entre les deux
continents,
et
augmentation
de
l’extension au-dessus de la subduction
océanique
32 heures
34 heures
Regard et al., 2005
CONCLUSIONS de M. Martinod:
Plusieurs phénomènes sont à l’origine de la cinématique actuelle de
l’Anatolie-Egée
• 1. poinçonnement de l’Eurasie par l’Arabie
• 2. forces liées au relief de l’Anatolie
• 3. traction arrière-arc exercée par le slab situé sous l’Arc Hellénique
Hypothèse: La rupture du slab sous Bitlis
(Est Anatolie) a entraîné une forte
augmentation des forces issues du relief
de l’Anatolie et de la traction du slab
hellénique
L’analyse du champ de déformations actuel (mécanismes au foyer
décrochants à extensifs jusqu’à 40°E) confirme le r ôle prépondérant joué
par la traction du slab et le relief de l’Anatolie dans la cinématique actuelle
de cette plaque
d’après Faccenna et al., 2006
14