Les phénomènes géologiques associés aux décrochements crustaux

Les phénomènes géologiques associés aux
décrochements crustaux
Emmanuelle BOUTONNET
Documents présentés :
1) Déformation décrochante dans un granite syntectonique du Cisaillement Dun-LePalestel
2) Sismicité active de la faille de San Andreas, ouest des USA
3) Influence de la faille du fleuve rouge sur la morphologie du paysage et du réseau
hydrographique
4) Histoire tectonique des bassins tertiaires et de leurs relations avec les grandes failles
décrochantes de l’est de la France
5) Modèle analogique à la base de l’hypothèse de l’extrusion de l’est asiatique lors de la
collision Inde/Asie.
Bibliographie :
Dercourt, Géologie et Géodynamique de la France , Dunod
Caron et al., Comprendre et enseigner la planète Terre, Ophrys
Mercier & Vergely : Tectonique, Dunod
Jolivet, La déformation des continents , Hermann
Jolivet & Nataf, Géodynamique, Dunod
Boillot et al., Les marges continentale, actuelles et fossiles, autour de la France, Masson
Cazenave & Feigl, Forme et mouvements de la Terre, Belin
PLS dossier spécial L'écorce terrestre
Boillot & Coulon, La déchirure continentale et l'ouverture océanique, Gordon et breach
Debelmas & Mascle, Les grandes structures géologiques, Masson
Choukroune, Déformation et déplacements dans la croûte terrestre, Masson
Westphal, Paléomagnétisme et magnétisme des roches, Doin
Cojan & Renard, Sédimentologie, Dunod
Collectif, Himalaya- Tibet, le choc des continents, CNRS éditions.
Kornprobst, Les roches métamorphiques et leur signification géodynamique, ed. Masson.
DOCUMEMENT 1 : Déformation décrochante dans un granite syntectonique du cisaillement
de Dun-le-Palestel
a) Localisation des échantillons et carte géologique associée : Dun-Le-Palestel, n°616
b) Cinq échantillons prélevés sur un transect N-S dans ce granite déformé :
F10-1, F10-4, F10-6, F10-8, F10-12
DOCUMENT 2 : Sismicité active de la faille de San Andreas, ouest des USA.
a) Carte des mécanismes au foyer dans le golfe de Californie (Goff et al, 1987)
b) Sismicité en coupe sur des profils SW – NE recoupant la faille (Wallace, 1990)
DOCUMENT 3 : Influence de la faille du fleuve Rouge sur la morphologie du paysage et du
réseau hydrographique.
a) Image SPOT d’une portion de la faille. Le réseau hydrographique est représenté en
bleu clair et la végétation en rouge.
b) interprétation de l’image SPOT ci-dessus.
DOCUMENT 4 : Histoire tectonique des bassins tertiaires et de leurs relations avec les
grandes failles décrochantes de l’est de la France.
DOCUMENT 5 : Modèle analogique (Tapponier et al) à la base de l’hypothèse de l’extrusion
de l’est asiatique lors de la collision Inde/Asie.
a) Modèle analogique (Peltzer et Tapponnier, 1988; Tapponnier et al., 1982)
b) Modèle de déformation de l'Asie par deux phases d'extrusion successives
(Tapponnier et al., 1986)
CORRECTION - PLAN
LES PHENOMENES GEOLOGIQUES ASSOCIES AUX DECROCHEMENTS
CRUSTAUX
I - Structures tectoniques et déplacements
A - Structures tectoniques à différentes échelles.
B - Déplacements associés et différentes approches
II- Phénomènes géologiques exo- et endogènes, conséquence des décrochements crustaux
A - Bassins sédimentaires et sédimentation syntectoniques
B – Magmatisme et métamorphisme
III – Phénomènes géodynamiques associés aux décrochements crustaux
A- Décrochements et convergence
B- Décrochement et divergence
C- Frontières transformantes en domaine continental et en domaine océanique.
CORRECTION – PLAN DETAILLE
LES PHENOMENES GEOLOGIQUES ASSOCIES AUX DECROCHEMENTS
CRUSTAUX
Introduction :
-
Accroche : danger des failles décrochantes à Los Angeles (FSA) ou à Istambul (FNA,
ex : séisme d’Izmit, le 17 Août 1999).
-
Définition d’un décrochement : faille verticale ou presque, séparant des compartiments
qui se sont déplacés l’un par rapport à l’autre uniquement dans le sens horizontal et
parallèlement à cette faille.
-
Annonce du sujet et limitations : les grands décrochements peuvent avoir des
décalages très importants (1000ers de km), ce qui a de grandes conséquences en terme
de géodynamique. Ils sont de plus souvent associés à de nombreux phénomènes
géologiques tels que la tectonique, la sédimentation, le magmatisme, le
métamorphisme. On entendra par « phénomène géologique » l’ensemble de ces
manifestions, ainsi que la géodynamique liée aux décrochements crustaux. Les
décrochements peuvent être crustaux ou lithosphériques (affectant croûte et manteau
lithosphérique) ; nous traiterons des deux car les deux affectent la croûte.
-
Annonce du plan : Les décrochements crustaux sont associés en surface à des
structures tectoniques qui permettent d’estimer un déplacement des compartiments.
Des phénomènes endogènes et exogènes apparaissent souvent comme des
conséquences du mouvement sur ces failles. Les décrochements crustaux sont liés à
des contextes géodynamiques variés sur Terre.
I - Structures tectoniques et déplacements
A - Structures tectoniques à différentes échelles
a) à l’échelle régionale
En domaine cassant :
- Exemples : Faille du Levant- Mer Morte, San Andreas – Big Pine & Garlock, Faille
des Cévennes, Structures en fleurs (+ ou -). Failles qui sont visibles dans la
morphologie, en photo aérienne ou en images satellites.
- Sismicité à grande échelle (doc2) : donne des indications sur le mouvement de la faille
et sur son extension en profondeur.
En domaine ductile :
- Exemples : Cisaillement Nord Armoricain, Ligne Insubrienne, faille du fleuve rouge,
faille du Karakorum. Egalement visibles en photo aérienne ou images satellites, un
peu moins dans la morphologie (pas actives).
-
Foliation parfois très visible. Ex : Faille du fleuve rouge, « Himalaya- Tibet le choc
des continents ».
b) A l’échelle locale
En domaine cassant :
- Structures similaires à l’échelle régionale : riedel, fentes de tensions… (cf « Ce que
disent les pierres » Mattauer)
- Interprétations en terme de mouvement (direction, sens), lien éventuel avec les
contraintes.
En domaine ductile :
- Structure similaires à l’échelle régionale : bandes C/S, ombres de pression, microplissements…
- (doc1) : échantillons du passage progressif de la bordure mylonitique au granite
syntectonique non déformé = C-S jusqu’à parallélisme dans la mylonite. Ne pas
oublier l’orientation dans laquelle on voit les critères de cisaillement. Localisation de
la déformation en domaine ductile.
- Interprétation en terme de mouvement (direction, sens). Lien difficile avec les
contraintes.
B - Déplacements et différentes approches
a) Déplacements horizontaux
Observation du décalage horizontal :
- Prendre un exemple de structures décalées par une faille : granites (ex : CSA /CNA),
ophiolites (ex : faille Karakorum), décalages des rivières (ex : faille Kunlun, faille du
Fleuve Rouge)
il y a un décalage horizontal, dextre ou senestre.
- Caractériser le sens, quantifier le mouvement, déplacement , vitesse…. (doc2) :
sismicité permet de déterminer facilement le mouvement dextre de la FSA.
Quantification du décalage horizontal :
- Exemple de déplacements finis : décalage de rivière (doc3)
- Autre moyens de quantifier les déplacements finis ou continus : géodésie (GPS),
sismicité (mécanismes au foyer), structures géologiques (sédimentaires,
métamorphiques, magmatiques).
- On peut même calculer la vitesse de décalage : apport des datations sur des structures
antérieures à la déformation (âge max), postérieure à la déformation (âge min), ou
syndéformation.
Quelques données :
- cas des grands décrochements (ex : faille du fleuve rouge) : peuvent atteindre plusieurs
milliers de km de décalage. Parfois, conflits sur l’estimation du décalage des structures
car les structures sont mal reconnues (ex : faille du Karakorum – rien à 1000km)
- cas des décrochements locaux (ex : faille des Cévennes) : histoire polyphasée
complexe (doc4)
b) Déplacements verticaux
Les zones relais :
- (doc4) exemple de l’ouverture des bassins oligocène en France : pré- existence d’une
fracture hercynienne qui est reprise en décrochement senestre à l’éocène, lors de la
collision Ibérique. A l’oligocène, le mouvement s’intensifie et le mouvement entre
deux relais décrochants est accommodé par l’ouverture de bassins en pull- appart,
comme le bassin rhodanien, et le bassin rhénan. Probablement une composante en
distension importante à l’oligocène car le phénomène de rifting est généralisé
(Limagne…)
- Le relais entre deux branches en décrochement peut être accommodé par des zones en
extension qui sont bassins en pull- appart.
Mouvement non purement décrochants : transpression et transtension.
- Cas des Pyrénées : lors du coulissage sénestre de l’Ibérie (crétacé moyen), le
mouvement n’est pas parfaitement décrochant et possède une composante en
extension (transtension) : création de nombreux bassins en pull- appart. Cette
extension explique de nombreux phénomènes pyrénéens (cf. plus loin), en particulier,
une remontée localisée du manteau.
A partir du Crétacé supérieur, le coulissage s’accompagne d’un serrage
(transpression), qui se traduit entre autres par l’extrusion tectonique vers le haut du
manteau remonté.
- Généralisation : les mouvements purement décrochants sont relativement rares. Bien
souvent, une composante en extension ou en compression accompagne le mouvement.
c) Déplacement par rotation (tiroir)
Identifié par le paléomagnétisme - modèle des dominos, rotations de blocs….
II- Phénomènes géologiques exo- et endogènes, conséquence des décrochements crustaux
A - Bassins sédimentaires et sédimentation syntectoniques
La sédimentation dans les zones de relais :
- La sédimentation peut être très importante et a souvent une géométrie très irrégulière,
avec des preuves de syntectonisme (dissymétrie des dépôts le long de la faille active).
Traiter des ex : (doc4), Pyrénées, Baïkal (5km de profondeur dont 4km de sédiments),
mer morte (12km de sédiments, avec des évaporites)…
- Généralisation sur les bassins en Pull Appart : profils de subsidence, sédimentation
souvent très irrégulière en terme de texture et de géométrie de dépôt, syntectonique
Intérêt des ces zones d’accumulation :
- ex : Arzacq dans les Pyrénées – zone en extension qui a accumulé des hydrocarbures.
Phénomène de diapirisme lors de la compression Pyrénéenne : sel, sources
hydrothermales…
- Autres exemples de bassins en pull- appart : Mer Morte (sel exploité), Mer de Salton,
Bassin de l’Ebre, Bassins carbonifère de Laval- Commentry (st Etienne et Autun ?),
Rift Baikal, Rifts Africain et Gds Lacs (Tanganyika ?)
B – Magmatisme et métamorphisme
a) Métamorphisme liée aux décrochements crustaux
Métamorphisme de HT-BP dans les Pyrénées :
- faille Nord Pyrénéenne : on observe des scapolites (minéraux en baguette de HT-BP)
et phlogopite. Définit une linéation cohérent avec le mouvement sénestre de la FNP.
Marque un événement de HT-BP d’âge Crétacé moyen qui est le coulissage de l’Ibérie
qui se caractérise par un réchauffement très localisé le long de la zone de cisaillement.
- Particulièrement fort dans les Pyrénées car transtension permet une remontée de
manteau chaud dans la FNP.
Shear Heating dans les zones de cisaillement :
- Dans toutes les grandes zones de cisaillement : traces d’un métamorphisme de HT
dans les parties profondes = shear heating. Réchauffement par friction ? Par remontée
des isothermes dans la faille ? ex : faille Karakorum : faciès granulite.
- Remontée des roches profondes : érosion ou extrusion active si mouvement
légèrement normal.
b) Magmatisme lié aux décrochement crustaux.
Magmatisme syntectonique :
- On observe beaucoup de magmatisme dans les zones de cisaillement. Ex : plutons
granitiques déformés (doc1). Pb : pré ou syntectoniques ? Ici, âge tardi- hercynien.
Probablement un granite syntectonique qui se met en place dans la zone de faille lors
du collapse de la chaîne hercynienne.
- Shear Heating poussé à l’extrême : fusion des roches de la croûte continentale. Les
zones de faille sont aussi des guides structuraux pour les liquides de fusion (tardi
orogéniques) à travers la croûte/ lithosphère.
Conséquences :
- Datations des déformations. Ex : faille du Karakorum.
III – Phénomènes géodynamiques associés aux décrochements crustaux
A- Décrochements et convergence
a) Convergence et extrusion
Modèle de l’extrusion :
- modèle analogique de Tapponnier et al. (doc5) : explication de l’expérience (piston
rigide emboutit un milieu localisant, la plasticine, avec un bord libre) et analogies avec
les observables (faille fleuve rouge, faille Altyn Tagh, extrusion blocs). La bordure
libre serait la subduction est de la mer de Chine. Limites de l’expérience : ne prend pas
en compte l’épaississement.
- Les grandes failles décrochantes Himalayennes accommodent le raccourcissement
avec un important déplacement de matière vers l’est = extrusion.
Généralisation :
- Autres cas d’extrusion possibles : chaîne hercynienne - CSA/ CNA peuvent être
considérés comme des failles d’extrusion.
- Caractéristiques des failles décrochantes d’extrusion : grand rejets horizontaux, failles
lithosphériques, durent sur un grand laps de temps… Tout le débat est sur ces trois
caractéristiques actuellement. Rapport entre extrusion/ épaississement.
b) Convergence oblique
Partitionnement du mouvement :
- Zone de Sumatra : convergence est oblique et le mouvement est décomposé entre une
faille purement inverse et une faille purement décrochante dextre qui est plus ou moins
parallèle.
- Limite de la transpression/ transtension = partitionnement du mouvement sur deux
failles distinctes.
c) Ouverture de bassins marginaux (tiroir)
Bassin d’arrière arc.
B- Décrochements et divergence
Relais décrochants entre rifts :
- (doc4) : limite entre le pull appart et les relais entre les rifts assez étroit.
- Si les rifts naissent décalés, le mouvement entre deux zones en extension est
accommodé par un relais en décrochement : accommode le mouvement des blocs.
Cas particulier des relais entre segments de dorsale :
- Observation : mécanismes au foyer sur une transformante entre deux segments de
dorsale – mouvement inverse à celui attendu si on voulait décaler activement les
segments de ride => mouvement passif de la faille décrochante.
- Les segments de dorsale naissent décalés (diapirs mantelliques – rifting continental) :
entre deux zones en extension, il faut un relais décrochant qui accommode le
mouvement (et qui ne décale absolument pas la ride de manière active).
- Un argument fort pour montrer l’expansion océaniques.
C- Frontières transformantes
a) En domaine continental
Définition d’une frontière transformante :
- Cas particulier de la Faille de San Andréas (Amérique du Nord) : relais décrochant
entre deux limites de plaques. Formation lors de la subduction de la ride active nord
Pacifique.
- Faille transformante : faille décrochante particulière qui accommode le mouvement
entre deux limites de plaques (extension, compression…).
Caractéristiques des failles transformantes :
- Autres cas comme la faille du Levant (Liban- Palestine- Egypte)) : relais senestre
accommode remontée Arabie (5cm/an) à l’est plus rapide que à l’ouest (2,5cm/an) ;
lien entre mer rouge au sud et faille nord Anatolienne au nord.
- Souvent des failles très actives et de grande ampleur : décalage, vitesse, durée,
profondeur…
b) En domaine océanique
Les grandes fractures :
- On a déjà discuté de leur mouvement. Pourquoi les transformantes qui ne sont actives
que entre les deux segments de faille sont-elle si étendues ? Subsidence différente de
part et d’autre.
- Ampleur et structures héritées. Ex : ouverture de l’Atlantique en plusieurs étapes et on
conserve les cicatrices sous la forme des grandes transformantes qui rayent
l’Atlantiques. Faille de Vema qui accommode l’ouverture de l’Atlantique nord au
Jurassiques et la rotation de l’Espagne au Crétacé, …
Conclusion :
- rappel des titres
- Ouverture par exemple sur les risques associés à ces grandes failles, comparer avec les
risques liés aux failles inverses/ normales, et aux risques volcaniques. Parler un peu
des moyens de prévention mis en place et des problèmes liés à la surpopulation des
zones à risques (ex : Los Angeles, Istambul…)
DOCUMENT 3 : Influence de la faille du fleuve Rouge sur la morphologie du paysage et du
réseau hydrographique.
Plio-Quaternary slip rate along the Red River Fault deduced from long term river offsets
Replumaz A., Lacassin R., Tapponnier P., Leloup, P. H., JGR, v. 106 , No. B1, p. 819-836
a)
Image SPOT d’une portion de la faille. Le réseau hydrographique est représenté en bleu clair et la
végétation en rouge.
b) interprétation de l’image SPOT ci-dessus.
Correction :
La faille du fleuve rouge est marquée dans la topographie (creux topographique), ce qui indique une activité
récente. Un mouvement décrochant sur cette faille va avoir tendance à décaler des structures transverses
préexistantes, en particulier les rivières qui traversent la zone de faille. La zone amont et la zone aval étant
décalées petit à petit, le cours de la rivière va acquérir une forme dite « en baïonnette ».
Deux longueurs d’onde de décalage peuvent être observables sur la faille du fleuve rouge : un mouvement
récent, dextre, qui décale les rivières (baïonnettes) sur des courtes distances (1 km) et un mouvement plus ancien
qui n’affecte plus le cours des rivières mais qu’on peut retrouver au niveau des axes des grandes vallées et qui
est aussi dextre. Ce décalage est estimé à 25km environ sur cette portion (correspond au décalage depuis la
capture des rivières).
a)