[PDF] Du manteau au système géothermal de haute température

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ÉCOLE DOCTORALE

ISTO / BRGM

THÈSE présentée par :

Vincent ROCHE

soutenue le : 29 janvier 2018 pour obtenir le grade de :

Discipline / Spécialité

Du manteau au système géothermal de haute température : dynamique de subduction et anomalies thermiques en Méditerranée orientale

THÈSE dirigée par :

Laurent GUILLOU-FROTTIER Ingénieur-Chercheur, HDR, BRGM Laurent JOLIVET Professeur, Université Pierre et Marie Curie

RAPPORTEURS :

Inga MOECK Professeure, Institut de Géophysique Appliquée de

Leibniz

Philippe YAMATO Professeur, Université de Rennes 1

JURY :

Bruno SCAILLET Directeur de Recherches, ISTO (Président) Christian TEYSSIER Professeur, University of Minnesota Michael RESSEL Assistant Professeur, Nevada Bureau of Mines and

Geology

Inga MOECK Professeure, Institut de Géophysique Appliquée de

Leibniz

Philippe YAMATO Professeur, Université de Rennes 1 Laurent GUILLOU-FROTTIER Ingénieur-Chercheur, HDR, BRGM Laurent JOLIVET Professeur, Université Pierre et Marie Curie

Manuscrit de Thèse

Vincent ROCHE

Du manteau au système géothermal de haute

température : dynamique de subduction et anomalies thermiques en Méditerranée orientale

THÈSE dirigée par :

Laurent GUILLOU-FROTTIER Ingénieur-Chercheur, HDR, BRGM Laurent JOLIVET Professeur, Université Pierre et Marie Curie

REMERCIEMENTS

Remerciements

3 ans et quelques mois pour terminer par le commencement cela

les mots me manquent car il y a tant de p, qui ont déjà réfléchi à la question, , st de se laisser guider par son ressenti ! s. Malgré le manqu, il faut bien le reconnaître, mes premières pensées vont vers mes deux directeurs de thèse :

- Joueur de tennis aguerri et fin stratège sur la modélisation numérique en 2D, mais également

en 3D, alias Laurent Guillou-Frottier. Un grand merci pour ta confiance et ta patience que chaleureusement pour ta disponibilité. Tu as toujours su me recadrer dans les méandres de remercier en une seule phrase mais pour une - Chanteur émérite . Je te remercie

sincèrement pour tout : ta confiance, ton énergie débordante sur le terrain, tes connaissances

et tes disponibilités à toute heure un coup de

téléphone à Peyrins. Au final cette collaboration aura duré quelques années pour aboutir à

la rédaction de ce manuscrit. Mes pensées et remerciements vont ensuite vers Vincent Bouchot, Johann Tuduri et Laurent

Beccalotto. On ne se connaissait pas au départ mais quelques jours en Turquie nous ont permis de tisser

des liens et soutenance. Merci pour vos connaissances enseigné sur la géothermie mais également sur la métallogénie. Un merci particulier à Romain et Hugues pour leur bonne humeur permanente à la fac mais

également sur le terrain.

Merci également aux argonautes endurcis et aux apprentis. Un immense merci à Stéphane

Scaillet qui a monté un superbe labo Argon, à Laurent Perdereau, Quentin Thibault et plus

particuliè Je profite pleinement de ce moment pour remercier les membres du jury et particulièrement les deux rapporteurs, Ingoa Moeck et Philippe Yamato qui ont accepté de lire ces quelques pages afin itiques bénéfiques. Merci à ceux qui ont facilité le déroulement de cette thèse : le directeur

Bruand, le Labex (particulièrement Bruno Scaillet) et le BRGM. Merci à Marlène Lallemand, Martine

Remerciements

Bodusseau, Virginie Lancelot, Olivier Gaudefroy, Nathalie Pothier, Catherine Giffault, Catherine

Leroy, Marie-Noëlle Pailhès, Lucile Esnee, Laurent Catherine et Yohann Brossard. Merci à ceux qui ont participé de près ou de loin à ces travaux. Je pense notamment aux litholamelleurs Sylvain Janiec et Jean-Gabriel Badin, à Patricia Benoist-

persistant sur les métallisations des lames), Ida Di Carlo pour les analyses à la microsonde électronique

et les séances MEB et Abdeltif Lahfid pour son aide sur le Raman. Jerem et Philippe pour les datations

U-Pb. Merci également à Marielle Aton pour toutes les petites choses du quotidien. Une pensée

également à Morgan et à Clément.

Merci à ceux qui ont fait en sorte que ces années orléanaises, , se passent bien. Je pense évidemment à mes amis Valou et sa femme Nolwenn ( ), Dustin (alias Tiphaine pour les intimes),

Joanna, La praline, Justine, Maxou, Armel, Eloïse, Anaëlle. Puis à tous les autres : Hugo, Sarah dont

reau au BRGM, Thomas, Kévin, Chloé, Mohammed, David, Yann,

Malcom, Adoum, Xin, Leila, Colin, Rabi, Florent, Thomas, Adrien, Benoit, Marie-Laure, Carlos,

Amélie, Zineb, Morgane, Fabien, Nicolas, Clément, Julie mais également les plus anciens Jacques,

Gulia et Cam, Pietro, Alexandre, Emeline. Une pensée également aux collègues du BRGM : Seb,

Mathieu, Gaëtan, Guillaume, Anne-

Un grand merci à mes proches notamment lors de cette dernière

année. Un merci tout particulier à ma mère pour la relecture, à mon frère pour son coup de pouce sur

la bibliographie et irréprochable soutenu pendant toutes ces années malgré les 6000 km qui nous sépara sur Orléans, sans elle la mise en page aurait été désastreusee nouvelles aventures nous attendent.

Bonne lecture.

Sommaire

1

INTRODUCTION ......................................................................................11

CHAPITRE I : Contexte scientifique et motivations ...........................................................................15

CHAPITRE II

du Menderes (partie occidentale de la Turquie) .....................................................................................75

CHAPITRE III : implication géologique dans

CHAPITRE IV : Evolution géodynamique de la région Est-Méditerranéenne ..................................179

CHAPITRE V

(Turquie) ...............................................................................................................................................257

CHAPITRE VI : Rôle de la subduction dans la localisation des dômes métamorphiques et des champs

géothermaux .........................................................................................................................................345

SYNTHESE - DISCUSSION - PERSPECTIVES & ABRIDGED ENGLISH VERSION ..........385

SYNTHESIS AND DISCUSSION - abridged English version .......................................................416

CONCLUSION GENERALE ..........................................................................................................431

ANNEXES ..........................................................................................................................................447

Sommaire détaillé

3

INTRODUCTION ......................................................................................11

CHAPITRE I : Contexte scientifique et motivations ...........................................................................15

I.1. La géothermie : la chaleur de la Terre .............................................................................. 17

I.1.1. Des ressources naturelles et quasiment inépuisables ..................................................... 17

I.1.2. Les types de ressources géothermales ........................................................................... 20

I.1.3. Les classifications de systèmes géothermaux selon des champs de références ............. 21

I.1.4. ...................... 23

I.2. Contextes géodynamiques favorables aux développements de systèmes géothermiques de

HT : le cas de la subduction ............................................................................................................ 27

I.2.1. Les systèmes géothermaux en contexte de subduction : magmatique vs. amagmatique28 I.2.1.1. -arc : actifs vs. fossiles ......................29

a. Les systèmes magmatiques actifs .................................................................................. 29

b. Les systèmes magmatiques fossiles ............................................................................... 32

I.2.1.2. Les systèmes géothermaux amagmatiques : actifs vs. fossiles ...................................35

a. Les systèmes amagmatiques actifs ................................................................................ 35

b. Les systèmes amagmatiques fossiles ............................................................................. 41

I.2.2. Systèmes géothermaux de HT : la particularité du domaine arrière-arc ....................... 42

I.3. Dynamique des zones de subduction.................................................................................. 43

I.3.1. Généralité sur la subduction .......................................................................................... 43

I.3.2. Les principales forces impliquées ................................................................................. 45

I.3.3. Les différents modèles géodynamiques ......................................................................... 47

I.3.3.1. Le modèle classique de la plaque supérieure .............................................................48

I.3.3.2. Le modèle du slab roll-back .......................................................................................49

I.3.3.3. Le rôle des flux mantelliques ......................................................................................49

I.3.4. Thermicité dans les zones de subduction : évolution de la plaque supérieure .............. 52

I.4. .................................................................................................. 55

I.4.1. ............................................................. 55

I.4.1.1. Une région anormalement chaude .............................................................................55

I.4.1.2. Une région marquée par de nombreux gisements métalliques ...................................57

I.4.2. Contexte géodynamique et géologique ......................................................................... 58

I.5. Question scientifique, objectifs de la thèse et démarche adoptée .................................... 60

I.6. Références ............................................................................................................................ 62

CHAPITRE II : Contrôle stru

du Menderes (partie occidentale de la Turquie) .....................................................................................75

II.1. Introduction ......................................................................................................................... 83

II.2. Geological setting ................................................................................................................. 84

Sommaire détaillé

4

II.2.1. The eastern Mediterranean region ................................................................................. 84

II.2.2. The Menderes Massif .................................................................................................... 85

II.3. Geothermal setting in the Menderes Massif ..................................................................... 88

II.3.1. Thermal anomalies at different scales ........................................................................... 88

II.3.2. Synthesis of fluids and isotopes .................................................................................... 89

II.3.2.1. Studies on oxygen and hydrogen isotopes of the main geothermal fluids ..................89

II.3.2.2. Helium isotopic signature...........................................................................................90

II.4. Analysis of the tectonic and structural settings of geothermal fields in the Menderes

Massif at local and regional scale ................................................................................................... 93

II.4.1. Structural features of the Salihli geothermal field ......................................................... 95

II.4.2. Structural features of the A ...................................................... 97

II.4.3. ........................ 101

II.4.4. Structural fe ........................ 105

II.5. Discussion ........................................................................................................................... 108

II.5.1. The Menderes Massif Core complex and associated geothermal fields ...................... 108

II.5.1.1. Crustal-scale: the role of detachments .....................................................................108

II.5.1.2. Basin-scale: the N-S transfer faults ..........................................................................111

II.5.2. Possible fluid pathways in the Menderes Massif: from the mantle to the geothermal

reservoir ..................................................................................................................................... 112

II.5.2.1. Source to sink ...........................................................................................................112

II.5.2.2. A long-lived duration geothermal Province .............................................................116

II.5.3. Origin of heat source in the Menderes Massif ............................................................. 116

II.5.4. An underestimated geothermal potential? ................................................................... 117

II.6. Conclusion .......................................................................................................................... 118

II.7. Acknowledgements ............................................................................................................ 119

II.8. Appendix ............................................................................................................................ 120

II.8.1. The .................................................................................................... 120

II.8.1.1. Stratigraphy and structure .......................................................................................120

II.8.1.2. ....................................................121

II.8.2. The Büyük Menderes graben....................................................................................... 122

II.8.2.1. Stratigraphy and structure .......................................................................................122

II.8.2.2. The main Büyük Menderes geothermal fields: mencik .................122

II.8.3. .......................................................................................................... 123

II.8.3.1. Stratigraphy and structure .......................................................................................123

II.8.3.2. The Seferihisar geothermal field ..............................................................................124

II.9. References .......................................................................................................................... 125

Sommaire détaillé

5 CHAPITRE III Leros (Dodécanèse) : implication géologique dans

III.1. Introduction ....................................................................................................................... 144

III.2. Geological setting ............................................................................................................... 144

III.2.1. The Cyclades Archipelago .......................................................................................... 144

III.2.2. The southwestern part of Turkey ................................................................................. 146

III.2.3. The Dodecanese Archipelago ...................................................................................... 148

III.3. A new structural map of Leros......................................................................................... 150

III.4. Kinematics of deformation ............................................................................................... 152

III.4.1. Ductile deformation ..................................................................................................... 152

III.4.2. Brittle deformation ...................................................................................................... 155

III.5. Metamorphic record and P-T estimates in metamorphic units .................................... 157

III.5.1. Conventional metamorphic petrology observations .................................................... 158

III.5.2. RSCM thermometry .................................................................................................... 161

III.6. Discussion ........................................................................................................................... 163

III.6.1. Structural and metamorphic evolution ........................................................................ 163

III.6.2. Large-scale correlations............................................................................................... 165

III.6.3. Tectonic implications in the Eastern Aegean domain ................................................. 167

III.7. Conclusion .......................................................................................................................... 167

III.8. Acknowledgements ............................................................................................................ 168

III.9. Appendix ............................................................................................................................ 169

III.10. References .......................................................................................................................... 173

CHAPITRE IV : Evolution géodynamique de la région Est-Méditerranéenne ..................................179

IV.1. Introduction ....................................................................................................................... 185

IV.2. Geological and Geodynamic setting ................................................................................. 186

IV.2.1. Aegean domain and continental Hellenides ................................................................ 189

IV.2.1.1. Pelagonian Nappe ....................................................................................................189

IV.2.1.2. Pindos Nappe ...........................................................................................................190

IV.2.1.3. Cycladic Blueschist Unit ..........................................................................................190

IV.2.1.4. Gavrovo Nappe-Tropolitza .......................................................................................191

IV.2.1.5. Phyllite-Quartzite Nappe ..........................................................................................191

IV.2.1.6. Ionan and Paxos Nappes ..........................................................................................192

IV.2.2. Western Turkey ........................................................................................................... 193

IV.2.2.1. Afyon and Ören metamorphic domain .....................................................................193

IV.2.2.2. Cycladic Blueschist Unit ..........................................................................................194

IV.2.2.3. Menderes Massif .......................................................................................................194

Sommaire détaillé

6

IV.2.3. Eastern Aegean Islands................................................................................................ 195

IV.2.3.1. Samos........................................................................................................................196

IV.2.3.2. Fourni and Thymaena Islands ..................................................................................199

IV.2.4. Dodecanese islands ...................................................................................................... 199

IV.3. New field observations ...................................................................................................... 203

IV.3.1. Fourni and Thymaena Islands ..................................................................................... 203

IV.3.2. Dodecanese islands ...................................................................................................... 204

IV.4. Metamorphism................................................................................................................... 204

IV.4.1. Samos .......................................................................................................................... 204

IV.4.2. Fourni and Thymaena islands ...................................................................................... 206

IV.4.3. Dodecanese islands ...................................................................................................... 206

IV.5. Ductile shearing ................................................................................................................. 209

IV.5.1. Samos .......................................................................................................................... 209

IV.5.2. Fourni and Thymaena islands ...................................................................................... 212

IV.5.3. Dodecanese .................................................................................................................. 215

IV.6. Brittle deformation ............................................................................................................ 221

IV.7. Discussion ........................................................................................................................... 225

IV.7.1. Correlations between Western Anatolia and the Aegean region ................................. 225

IV.7.1.1. Fourni, Samos, western Anatolia and the Cyclades .................................................226

IV.7.1.2. Dodecanese, Menderes cover and Amorgos Island ..................................................231

IV.7.2. Tectonic evolution of the Aegean-Anatolia region ..................................................... 234

IV.7.2.1. Kinematic of deformation from the Cretaceous to the Oligocene ............................236

a. Prograde deformation .................................................................................................. 236

b. Syn-orogenic deformation ........................................................................................... 236

IV.7.2.2. An overall NNE-SSW gradient of extension during Oligo-Miocene to Present .......237

IV.7.3. Slab tearing: which consequences in the overriding plate? ......................................... 239

IV.8. Conclusion .......................................................................................................................... 240

IV.9. Acknowledgements ............................................................................................................ 241

IV.10. References .......................................................................................................................... 242

CHAPITRE V

(Turquie) ...............................................................................................................................................257

V.1. Introduction ....................................................................................................................... 265

V.2. Geological setting ............................................................................................................... 266

V.2.1. The Lycian Nappes and the Cycladic Blueschist Unit (CBU) .................................... 267

V.2.2. The Menderes MCC (MMCC) .................................................................................... 268

V.2.2.1. Lithology of the MMCC ............................................................................................268

Sommaire détaillé

7 V.2.2.2. Structure and metamorphism of the MMCC: the main controversies ......................269

V.3. Structural analysis of the Menderes MCC from new field data ................................... 271

V.3.1. ........................................... 273

V.3.2. - Birgi areas ............................................................................................. 276

V.3.3. - .................................................................... 276

V.3.4. SMM area: from Kurudere to Çine ............................................................................. 280

V.4. Quantitative T and age constraints .................................................................................. 283

V.4.1.

40Ar-39Ar dating in the CMM and SMM ..................................................................... 283

V.4.1.1. CMM area ................................................................................................................289

V.4.1.2. The Bozda - Birgi areas ..........................................................................................289

V.4.1.3. - Sultanhisar areas ......................................................................................291

V.4.1.4. SMM area: from Çine to Kurudere ..........................................................................292

V.4.2. U-Pb dating in the CMM ............................................................................................. 296

V.4.3. RSCM T

max results ....................................................................................................... 298

V.5. Discussion ........................................................................................................................... 303

V.5.1. Tectonic contacts in the CMM and SMM ................................................................... 303

V.5.2. Distribution of T

max (RSCM) ....................................................................................... 307

V.5.3. Metamorphism and deformation across the Menderes Massif .................................... 308

V.5.3.1. HP-LT metamorphism ..............................................................................................308

V.5.3.2. HT-LP Metamorphism and deformation before and during the Alpine orogeny .....312 V.5.3.3. HT-LP Metamorphism and deformation during the Oligo-Miocene in the CMM ...313

V.5.4. A possible evolution of the Menderes Massif ............................................................. 315

V.6. Conclusion .......................................................................................................................... 317

V.7. Acknowledgements ............................................................................................................ 317

V.8. Appendix ............................................................................................................................ 318

V.8.1. Analytical methods ...................................................................................................... 318

V.8.1.1. 40Ar-39Ar Geochronology ..........................................................................................318

V.8.1.2. U-Pb method .............................................................................................................319

V.8.1.3. RSCM (Raman Spectroscopy on Caronaceous Materials) .......................................321

V.8.2. Sample distribution and results of

40Ar-39Ar and U-Pb ages ....................................... 322

V.8.3. Representative microprobe analyses ........................................................................... 331

V.8.4. Geochronological data ................................................................................................. 333

V.9. References .......................................................................................................................... 337

CHAPITRE VI : Rôle de la subduction dans la localisation des dômes métamorphiques et des champs

géothermaux .........................................................................................................................................345

VI.1. Introduction ....................................................................................................................... 351

Sommaire détaillé

8

VI.2. Geodynamic and geothermal settings of the Menderes Massif ..................................... 353

VI.3. 3-D thermal evolution of subduction ............................................................................... 354

VI.3.1. Model set-up ................................................................................................................ 355

VI.3.2. Results ......................................................................................................................... 357

VI.3.2.1. Thermo-mechanical instabilities ..............................................................................357

VI.3.2.2. Slab dynamics and shear heating .............................................................................358

VI.4. From subcrustal thermal anomalies to geothermal systems: 2-D model of fluid

circulation ...................................................................................................................................... 362

VI.4.1. Model setup ................................................................................................................. 362

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