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Origine et développement de la thermicité

dans les Pyrénées varisques Conséquences sur le segment ouest-europĠen de l'orogğne 3

Baptiste Lemirre - thèse de doctorat - 2018

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Résumé

Le cycle varisque est caractérisé par une phase tardi-orogénique de haute température (HT) généralisée

dans l'ensemble de la chaŠne. Cependant, la nature et la contribution des sources de chaleur potentielles

métamorphisme, la production et le transfert de magmas dans la croûte et (iii) de la relation entre

Le segment pyrénéen est classiquement interprété comme un avant-pays chaud au cours de l'orogenğse

varisque. Les Py rénées s ont caractérisées par un épaississem ent crustal modéré et un épis ode

métamorphique de haute tem pérature - basse pr ession (HT-BP) associé à du m agmatisme tard i-

une cible de choidž pour l'Ġtude de l'épisode de HT tardi-varisque. Des estimations des conditions pression-

température ont été obt enues par mo délisation thermod ynam ique sur 4 massifs de la zo ne nord-

pyrénéenne (massifs du Saint Barthélémy, de Bessède de Sault, du Castillon et d'Ursuya). Les résultats

montrent un g éotherme en deux parties au p arodžysme de l'Ġpisode de HT avec de forts g radients

atteignant 80 °C/km dans la partie supérieure et des conditions isothermes dans la croûte moyenne avec

des températures de l'ordre de 800 °C. Les données de géochronologie U-Pb sur zircon et monazite dans

les roches métamorphiques mettent en évidence que la croûte moyenne, affectée par une déformation

extensive, reste chaude et partiellement fondue pendant une 20 aine de millions d'annĠes de ca. 300 Ma à

ca. 280 Ma. Une coupe nord-sud dans les Pyrénées Centrales, couplée à de la spectroscopie Raman sur

matière carbonée permet de quantifier l'Ġǀolution de la température dans la couverture déformée en

transpression hors de dômes tecto-métamorphiques. Les résultats indiquent que la croûte supérieure est

aussi affectée par le métamorphisme régional avec des températures supérieures à 500 °C dans les

sédiments paléozoïques. Les études géochimiques et géochronologiques (U-Pb sur zircon) dans les massifs

du Chiroulet-Lesponne et de l'Aston soulignent une origine à la fois mantellique et crustale des magmas

et montrent que le magmatisme est contemporain du métamorphisme, avec des âges compris entre ca.

305 Ma à ca. 290 Ma. Les données de modélisation numérique confirment la source mantellique de la

par la fusion partielle de la croûte inférieure à moyenne.

Mots clés : Magmatisme ; Métamorphisme ; Pyrénées ; Varisque ; Datation ; Haute Température

Baptiste Lemirre - thèse de doctorat - 2018

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Abstract

The Variscan cycle is characterized by a late-orogenic phase of high temperature (HT) in the whole belt.

However, the nature and relative contribution of potential heat sources for the thermal anomaly are still

debated. A careful assessment of (i) the spatial and temporal evolution of the thermal state of the crust,

(ii) the chronology between metamorphism, magmas production and magmas transfer in the crust and

(iii) the relationships between the late-orogenic tectonic evolution and the HT event is thus required.

The Pyrenean segment is usually interpreted as a hot foreland during the Variscan orogeny. The Pyrenees

are characterized by a moderate cru stal thickening and a h igh temperature - low pr essure (HT-LP)

metamorphism associated with abundant late-orogenic magmatism and transpressional deformation of

the crust. They are thus a prime t arget t o study th e late-variscan HT event. Pressure-temperature

estimates were obtained by thermodynamical modelling in 4 massifs of the north-pyrenean zone (Saint

Barthelemy, Bessede de Sault, Castillon and Ursuya). Results show a kinded geotherm at the paroxysm of

the HT event with gradients higher than 80 °C/km in the upper part of the crust and near-isothermal

conditions in the middle crust with temperature of about 800 °C. U-Pb data on zircon and monazite grains

in metamorphic rocks highlight that the middle crust, which were affected by extensional deformation,

remained hot and partially molten over 20 Myr from ca. 300 Ma to ca. 280 Ma. A north-south cross-section

in the Central Pyrenees, coupled with Raman spectroscopy of carbonaceous materials allows to quantify

the evolution of the temperature in the sedimentary cover deformed by transpression apart from the tectono-metamorphic domes. Paleo zoic sediments rec orded temperature higher than 500 °C. This indicates that the u pper cru st was affected by regional HT-BP metamorphism in the whole b elt.

Geochemical and geochronological (U-Pb on zircon) studies in the Chiroulet-Lesponne and Aston massifs

evidence a mantle and crustal origin of magmas and show that magmatism is coeval to metamorphism with ages comprised between ca. 305 to ca. 290 Ma. Numerical modelling data confirm that HT-LT metamorphism appears as a response to enhanced mantle flux coupled with a heat transfer from the lower to middle crust and up to the upper crust by melt migration. Keywords: Magmatism, Metamorphism, Pyrenees, Variscan, Dating, High Temperature

Baptiste Lemirre - thèse de doctorat - 2018

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Remerciements

Merci Stéphanie et Michel ;

Merci Lukas, Valérie, Julia, Jean-Marc, Yoann, Daniel et Benjamin;

Merci Marc, Muriel, Abdeltif, Romain ;

Merci Bryan (Variscan Pyrennees for ever), Mathieu et Florent (F104 for ever) ; Merci Fabienne, Jeff, Thierry, Stéphanie, Manu, Jérôme, Philippe et Sophie ; Merci Philippe, Olivier, , et tous les membres du GET et du RGF ;

Merci tous les doctorants du GET, du RGF ;

Merci toutes les personnes ayant contribué de près ou de loin (géologiquement et géographiquement parlant) à la réussite de cette thèse ;

Merci Papa, Maman, Simon, Thibaut et Martin ;

une semaine) ;

Et " last but not least », MERCI Pauline !

A Mandette et Mamie

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Baptiste Lemirre - thèse de doctorat - 2018

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Table des matières

Résumé .......................................................................................................................................................... 4

Remerciements ............................................................................................................................................. 8

Chapitre 1 : Introduction générale .............................................................................................................. 12

Pyrénées ? ............................................................................................................................................... 13

1.2. Signification et origine du métamorphisme haute température ʹ basse pression (HT-BP) et du

magmatisme associé dans les chaînes de montagnes ............................................................................ 14

1.3. La chaîne varisque ouest-européenne, un exemple de métamorphisme HT-BP tardi-orogénique

..................................................................................................................................................... 16

1.4. Les Pyrénées, une cible de choix pour étudier le métamorphisme HT-BP varisque? ................. 19

1.5. Organisation du manuscrit et cadre de l'Ġtude ........................................................................... 20

Chapitre 2 : Contexte géologique ................................................................................................................ 22

2.1. Introduction ................................................................................................................................. 23

2.2. Les Pyrénées, une chaîne issue de la succession de plusieurs cycles orogéniques .................... 23

2.3. Les caractéristiques du cycle Varisque dans les Pyrénées .......................................................... 28

Chapitre 3 : Origine et développement du métamorphisme haute température - basse pression dans les

Pyrénées varisques ...................................................................................................................................... 52

3.1. Introduction ................................................................................................................................. 53

- Chiroulet - Neouvielle area, french Pyrenees) ................................................................. 163

4.4. Le magmatisme varisque dans l'ensemble de la chaŠne pyrĠnĠenne ....................................... 203

4.5. Conclusion ................................................................................................................................. 205

Baptiste Lemirre - thèse de doctorat - 2018

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5.1. Introduction .................................................................................................................................... 207

5.2. Méthodologie ................................................................................................................................. 213

5.3. Résultats et discussion ................................................................................................................... 216

5.4. Conclusion ...................................................................................................................................... 234

Chapitre 6 : Synthèse et discussion ........................................................................................................... 235

6.1. Introduction ............................................................................................................................... 236

6.2. Etude comparative des conditions PT dans la zone nord-pyrénéenne et la zone axiale .......... 236

6.3. Synthèse chronologique et comparaison des zones nord-pyrénéenne et axiale ..................... 239

6.4. Modèle géodynamique général des Pyrénées varisques .......................................................... 246

6.5. Place des Pyrénées dans la chaîne varisque .............................................................................. 250

Chapitre 7 : Conclusion et perspectives .................................................................................................... 253

7.1. Conclusion ...................................................................................................................................... 254

7.2. Perspectives .................................................................................................................................... 256

Références bibliographiques ..................................................................................................................... 259

Table des figures ........................................................................................................................................ 276

Annexe ....................................................................................................................................................... 280

1- Introduction

12

Chapitre 1 : Introduction générale

1- Introduction

13

Les Pyrénées forment une chaîne de montagnes actuelle qui résulte de la succession de deux principaux

Ġpisode de haute pression et d'Ġpaississement crustal important antĠrieur. Pendant cette phase tardi-

orogénique, les Pyrénées sont affectés par un métamorphisme haute température - basse pression (HT-

BP) associé à un magmatisme abondant et une importante déformation de la croûte.

mantelliques dans la zone nord-pyrĠnĠenne. La remontĠe du manteau pendant la phase d'edžtension

pyrénéenne dans la zone interne métamorphique.

Enfin, la collision alpine entre la plaque européenne et ibérique entraîne la formation des Pyrénées actuel

température.

correspond ă l'Ġtat initial de la phase d'hyper-extension Crétacé et par conséquence soulève la question

La deuxième partie de cette introduction commence donc par définir la notion de métamorphisme de

haute tempé rature ʹ basse pression (HT-BP) et du magmatisme associé. Les p rincipaux con textes

géodynamiques responsables du métamorphisme HT-BP sont brièvement exposés. Dans la troisième

quatrième partie de l'introduction développe la problématique liée l'Ġpisode de HT-BP tardi-orogénique

dans le cas du segment pyrénéen à la fin du Carbonifère et soulève la question du contexte géodynamique

1- Introduction

14

1.2. Signification et origine du métamorphisme haute température - basse

pression (HT-BP) et du magmatisme associé dans les chaînes de montagnes

Le métamorphisme de haute température ʹ basse pression (HT-BP) a été défini par Miyashiro (1961) dans

qui correspond donc à des forts gradients géothermiques. A plus haut grade, les conditions atteignent

Figure 1.1 : Diagramme pression ʹ temperature montrant les principaux facies métamorphiques modifié

Brown and Johnson (2018) montrent que les granulites de haute température sont une caractéristique de

fonction des cycles orogéniques et de la formation des supercontinents.

On distingue deux types de métamorphisme granulitique dans la croûte moyenne (Harley, 1989; Viete,

chaleur principale. Ces deux " end-members » sont associés à des contextes géodynamiques différents.

1- Introduction

15

(i) Un flux de chaleur depuis le manteau anormalement élevé (e.g. Collins, 2002; Henk et al., 2000). Ce

parfois une extension de la croûte dans certains contextes. Cet advection de chaleur mantellique plume asthénosphérique, délamination de la lithosphère).

maturation thermique de la croûte associée à une activité magmatique comme source de chaleur

Ces deux types de métamorphisme granulitiques et le magmatisme associé sont caractérisés par différents

trajets pression-température-temps (figure 1.2) avec des durées pouvant atteindre plusieurs millions

métamorphique de HT-BP et de déterminer la chronologie entre métamorphisme, fusion partielle et

transfert de magmas.

au modèle de type (i) ; à droite, décompression adiabatique associée au modèle de type (ii).

1- Introduction

16

1.3. La chaîne varisque ouest-européenne, un exemple de métamorphisme HT-

BP tardi-orogénique

Ma (Matte, 2001 ; figure 1.3).

Le segment ouest-européen de la chaîne varisque résulte au premier ordre de la convergence entre les

plaques Laurussia et Gondwana et les microcontinents Avalonia et Armorica au Paléozoïque (Martínez

continents Laurentia et Baltica qui forment la Laurussia. La fermeture de plusieurs domaines océaniques

1- Introduction

17

par subduction et la collision entre continents et microcontinents au Dévonien et Carbonifère inférieur

aboutissent à la formation du supercontinent Pangée à la fin du Carbonifère (Bosse et al., 2000; Giacomini

et al., 2006; Lotout et al., 2018; Paquette et al., 2017; Pin and Vielzeuf, 1983; Roger and Matte, 2005;

Vielzeuf and Pin, 1989). Ces épisodes de subduction et collision sont caractérisés par un métamorphisme

(éclogite et granulite de HP, figure 1.4).

Figure 1.4 : Principaux affleurements du socle varisque d'Europe et occurrences de granulites varisques de

HT et HP, modifié d'après Pin et Vielzeuf, 1983.

Les occurr ences de roches d e HP sont inte rprétées comme d es reliques exhu mées de subductions

océaniques et/ou de collisions intracontinentales et correspondent donc à des zones de suture entre les

et microcontinents impliqués reste débattu (e.g. Franke et al., 2017; Martínez Catalán et al., 2007 ; figure

1.5). Cet ensemble de subductions et collisions conduit à un épaississement crustal important de la zone

interne de la chaîne varisque.

1- Introduction

18

Figure 1.5 : Exemple de reconstitution des principales unités varisques d'après Martinez Catalan et al.

(2007). Arcs : BA, Bohemian ; CIA, Central Iberian ; IAA, Ibero-Armorican ; MCA, Massif Central. Zones : CIZ, Central Iberian ; CZ,

Cantabrian ; GTMZ, Galicia-Tras-os-Montes ; MGCZ, Mid-German Crystalline ; MZ, Moldanubian ; OMZ, Ossa-Morena ; RHZ,

Rheno-Hercynian; SPZ, South Portuguese ; STZ, Saxo-Thuringian; TBZ, Tepla ʹBarrandian ; WALZ, West Asturian-Leonese. Zones

de cisaillement et failles : BCSZ, Badajoz-Cordoba ; JPSZ, Juzbado-Penalva ; LLF, Layale-Lubine ; LPSZ, Los Pedroches ; MT,

Moldanubian thrust ; NASZ, North Armorican ; NEF, Nort-sur-Erdre ; NPF, North Pyrenean ; PTSZ, PortoʹTomar ; SASZ, South

Armorican (N and S, branches nord et sud) ; SISZ, Southern Iberian ; VF, Variscan front. Autres : B, Buçaco ; BF, Black Forest ; C,

Crozon ; CO, Corsica ; ECM, External crystalline massifs of the Alps ; LC, Lizard Complex ; MM, Maures Massif ; S, Sardinia ; VM,

Vosges Massif.

Permien inférieur caractérisé par un magmatisme abondant et un métamorphisme de HT-BP. Il se traduit

al., 2015; Gutiérrez-Alonso et al., 2011; Lardeaux, 2014; Poujol et al., 2017; Schulmann et al., 2014). La

source de chaleur de ce métamorphisme HT-BP reste mal contrainte et avec plusieurs origines potentielles

évoquent une source de chaleur externe à la croûte suite à un retrait ou une rupture de slab (e.g. Averbuch

and Piromallo, 2012).

1- Introduction

19

1.4. Les Pyrénées, une cible de choix pour étudier le métamorphisme HT-BP

varisque?

La croûte varisque des Pyrénées est marquée par un événement thermique majeur souligné par un

la limite Carbonifère ʹ Permien (ca. 300 Ma). La particularité du segment pyrénéen est sa position externe

lors des phases de subduction et collision varisque ayant pour conséquence un épaississement modéré de

métamorphisme HT-BP et du magmatisme tardi-orogénique associé au cours du cycle varisque.

Le métamorphisme HT-BP observé dans la croûte continentale moyenne nécessite une source de chaleur

qui peut être (i) interne, par la radioactivité de la croûte, (ii) externe, par le magmatisme, (iii) externe par

contexte géodynamique associé en couplant une approche multidisciplinaire.

Dans un premier temps, une app roche de terrain est effectuée afin de préciser les rela tions entre

déformation, métamorphisme et magmatisme. Dans un second temps, une étude géochronologique est

modèle numérique 1D afin de discuter des potentielles sources de chaleur.

Enfin, la question de la place des Pyrénées dans la chaîne varisque est posée. Alors que les études

température suggère une position plus interne au cours de la phase tardi-orogénique.

1- Introduction

20

1.5.1. Organisation du manuscrit

La cible de l'Ġtude est l'Ġpisode de haute tempĠrature tardi-orogénique dans le segment pyrénéen,

caractérisé par du métamorphisme HT-BP et du magmatisme. Ce traǀail de thğse est ă l'interface entre la

pétrologie métamorph ique et la pétrologie magmatiq ue. L e plan choisi afin de répondre à l a

problématique suit donc une logique thématique avec des sous-parties orientĠes d'un point de ǀue

géographique notamment entre les massifs nord-pyrénéens et la zone axiale.

Aprğs ce premier chapitre d'introduction gĠnĠral, le deudžiğme chapitre consiste en une prĠsentation

détaillé du contexte géologique. La première partie aborde la chaîne des Pyrénées dans son ensemble et

les différents cycles orogéniques affectant le segment pyrénéen. La seconde partie se focalise sur les

caractéristiques des Pyrénées varisques.

Le troisième chapitre traite du métamorphisme HT-BP. La premiğre partie du chapitre s'intĠresse au

ă dire la couǀerture sĠdimentaire peu affectĠe par l'Ġpisode de haute température. Les sous-parties

suivent un découpage géographique en fonction des cibles choisies.quotesdbs_dbs46.pdfusesText_46

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