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THESE DE DOCTORAT DE L'UNIVERSITE PARIS 6

Spécialité : Géologie

Mécanismes d'éclogitisation et

conséquences pour l'exhumation des roches métamorphiques de haute pression

L'exemple de l'Arc de Bergen, Norvège

Présentée par :

pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L'UNIVERSITE PARIS 6

Thèse soutenue le Vendredi 28 Octobre 2005

Composition du jury :

Denis GAPAIS.......................................rapporteur

Hermann VAN ROERMUND................rapporteur

Laurent JOLIVET.......................directeur de thèse Håkon AUSTRHEIM.........................examinateur Christian CHOPIN............................examinateur Giorgio RANALLI.............................examinateur Bruno GOFFE............................................inv ité Yves LEROY..............................................in vité 1

Résumé

La Nappe de Lindås, au sein de l'Arc de Bergen, Norvège, est un massif anorthositique enfoui et partiellement éclogitisé en profondeur au cours de l'orogénèse

calédonienne, qui fut relativement protégé de la rétromorphose pendant son retour vers la

surface. L'étude de ces roches du faciès éclogitique nous permet donc de mieux comprendre le détail des processus d'éclogitisation et ses conséquences en terme d'exhumation et de circulation crustale dans les zones de collision. Les grenats granulitiques, bien que relativement résistants aux réactions métamorphiques, subissent lors de l'éclogitisation une fracturation intense et une

rééquilibration partielle par diffusion à partir de leur frontière. L'observation au MEB (BSE)

des différentes générations de grenat associées à l'épisode éclogitique, et l'estimation des

compositions minérales d'équilibre par des méthodes thermobarométriques multi-équilibre,

permet de mettre en lumière la vitesse de diffusion beaucoup plus lente du Ca par rapport aux

cations métalliques dans le grenat granulitique lors de sa rééquilibration dans le faciès

éclogitique.

La distribution des orientations des fractures qui parcourent les grenats granulitiques hérités, montre que leur formation est la conséquence directe de la diminution de volume associée aux réactions métamorphiques. La propagation à petite échelle des domaines éclogitisés ne procède donc pas simplement par diffusion du fluide, mais par un processus complexe couplant diffusion, réactions métamorphiques et fracturation des minéraux granulitiques. La caractérisation de la cinématique de la déformation dans le faciès éclogitique de

l'île d'Holsnøy, au sein de la Nappe de Lindås montre sa grande cohérence à l'échelle de la

zone d'étude (5*5 km), reflétant l'action de forces aux limites, plutôt que de contraintes locales liées aux réactions métamorphiques. Le cisaillement en moyenne vers l'Est,

géométriquement restauré dans le contexte de la subduction calédonienne, est interprété

comme reflétant le découplage d'unités crustales du panneau plongeant, qui commencent ainsi leur retour vers la surface.

La validité d'un tel modèle, où l'éclogitisation permet l'initiation de l'exhumation, est

analysée dans le cadre du modèle analytique du chenal de subduction. L'éclogitisation, qui

n'est ni instantanée ni spatialement homogène, modifie les propriétés de la croûte, notamment

sa densité et sa viscosité. Alors que l'augmentation de densité réduit sa flottabilité, son

adoucissement mécanique lui permet de se découpler du manteau lithosphérique qui la tire vers la profondeur. La compétition entre ces deux phénomènes, variable suivant la progression des transformations métamorphiques, est intégrée dans un unique paramètre

adimensionnel, le nombre d'exhumation, dont la valeur décrit la capacité de la croûte à être

exhumée. La subduction d'une croûte à fort nombre d'exhumation entraîne la création dans le

canal de subduction d'un flux retour à partir du domaine partiellement éclogitisé. L'analyse

des conditions de ce flux retour montre entre autres que les vitesses d'exhumation de l'ordre des vitesses de convergence des plaques lithosphériques ne sont possibles que pendant le régime transitoire entre l'enfouissement de croûte à faible et fort nombre d'exhumation. Ce travail, qui montre l'importance des réactions d'éclogitisation pour l'exhumation et plus généralement pour la dynamique des zones de collision, souligne en conséquence la

nécessité de décrire avec précision les mécanismes micro- et macroscopiques qui permettent

la progression et la propagation de l'éclogitisation. 2 3

Table des matières

Table des matières.....................................................................................................................3

I L'Exhumation des roches de haute-pression : état des connaissances..............................13

I.1 Contexte géodynamique de formation des roches de haute-pression................................... 13

I.1.1 Observation directe de la structure profonde des zones de convergence par les outils de la

géophysique................................................................................................................................................. 13

I.1.1.1 Zones de subduction.................................................................................................................... 13

I.1.1.2 Zones de collision........................................................................................................................ 15

I.1.2 Les roches de haute-pression : des témoins de l'ampleur des mouvements verticaux........................ 16

I.1.3 Mécanismes d'enfouissement en zone de convergence....................................................................... 18

I.1.4 Problème du retour à la surface pendant la collision........................................................................... 19

I.2 Apport des observations naturelles sur l'exhumation des roches de haute-pression.......... 20

I.2.1 Chemins Pression-Température .......................................................................................................... 20

I.2.2 Datations Radiochronologiques .......................................................................................................... 22

I.2.2.1 Principe et résultats...................................................................................................................... 22

I.2.2.2 Vitesses rapides de l'exhumation profonde................................................................................. 23

I.2.2.3 Evolution diachrone au sein d'une zone de collision................................................................... 24

I.2.2.4 Incertitudes des datations radiochronologiques........................................................................... 24

I.2.3 Contraintes géométriques : déformation enregistrée........................................................................... 24

I.2.3.1 Variations spatiales de la déformation......................................................................................... 24

I.2.3.2 Variations temporelles de la déformation.................................................................................... 26

I.2.4 Organisation du métamorphisme à l'échelle d'une chaîne.................................................................. 26

I.2.5 Un enregistrement partiel et biaisé...................................................................................................... 27

I.3 Modélisation de l'exhumation des roches de haute-pression................................................. 28

I.3.1 Mécanismes généraux de l'exhumation .............................................................................................. 28

I.3.1.1 En contexte extensif .................................................................................................................... 28

I.3.1.2 En contexte compressif................................................................................................................ 29

I.3.2 Description des principaux modèles.................................................................................................... 30

I.3.2.1 Modèles d'exhumation post-collisionnelle.................................................................................. 31

I.3.2.2 Modèles d'exhumation syn-collisionnelle................................................................................... 32

I.3.3 Conclusions sur l'exhumation syn-collisionnelle................................................................................ 37

I.3.3.1 Les modèles rendent-ils compte d'une exhumation en 2 étapes ?............................................... 37

I.3.3.2 Propriétés physiques conditionnant l'exhumation syn-collisionnelle.......................................... 38

I.4 Variations spatiales et temporelles des propriétés physiques conditionnant l'exhumation

pendant la collision ......................................................................................................................... 38

I.4.1 Existence d'un butoir rigide et surpressions tectoniques..................................................................... 38

I.4.1.1 Surpressions tectoniques.............................................................................................................. 38

I.4.1.2 Géométrie du chenal et rhéologie du manteau.............................................................................40

I.4.2 Influence de la nature des roches enfouies.......................................................................................... 40

I.4.2.1 Variété de la subduction océanique............................................................................................. 40

I.4.2.2 Qu'est-ce que la subduction continentale ? ................................................................................. 42

I.4.3 Conséquences des réactions métamorphiques sur les propriétés des roches....................................... 44

I.4.3.1 Influence du métamorphisme sur la densité ................................................................................ 44

I.4.3.2 Influence du métamorphisme sur la rhéologie.............................................................................45

I.4.3.3 Cinétique des transformations métamorphiques - effet des fluides............................................. 45

I.5 Conclusions ................................................................................................................................ 46

II Les Calédonides de Norvège et l'Arc de Bergen................................................................49

II.1 Présentation générale de la chaîne .........................................................................................49

II.1.1 Structure actuelle : un empilement de nappes sur le craton baltique ................................................. 49

II.1.1.1 Le socle : Le craton Baltique et la région des Gneiss de l'Ouest............................................... 51

4

II.1.1.2 Les nappes charriées vers l'Est .................................................................................................. 52

II.1.1.3 Les bassins Dévoniens ............................................................................................................... 53

II.1.2 Le cadre géodynamique global : collision de Baltica et Laurentia .................................................... 53

II.1.2.1 Reconstructions paléogéographiques......................................................................................... 54

II.1.2.2 Phases tectoniques...................................................................................................................... 54

II.1.3 La subduction de Baltica sous Laurentia au cours de la phase Scandienne....................................... 55

II.1.3.1 Cinématique de la mise en place des nappes.............................................................................. 55

II.1.3.2 Gradients de métamorphisme..................................................................................................... 56

II.1.4 Déformation Calédonienne post-collisionnelle.................................................................................. 57

II.1.5 Répartition du métamorphisme de Haute et Ultrahaute Pression à l'échelle de la chaîne................. 58

II.2 La région des Gneiss de l'Ouest.............................................................................................. 59

II.2.1 Limites des Gneiss de l'Ouest............................................................................................................ 60

La zone de détachement du Nordfjord-Sogn .......................................................................................... 60

La zone de cisaillement de l'Arc de Bergen........................................................................................... 61

Le chevauchement basal de la Nappe de Jotun....................................................................................... 61

La zone de faille de Møre-Trondelag...................................................................................................... 61

II.2.2 Le protolithe des Gneiss de l'Ouest................................................................................................... 61

II.2.3 Métamorphisme et déformation Calédonienne dans les Gneiss de l'Ouest....................................... 62

II.2.3.1 La Haute-Pression...................................................................................................................... 62

II.2.3.2 L'Ultrahaute-Pression................................................................................................................ 63

II.2.3.3 Le calendrier de la déformation dans les Gneiss de l'Ouest....................................................... 64

II.2.4 Modèles d'exhumation des Gneiss de l'Ouest................................................................................... 67

II.2.4.1 Modèles d'exhumation syn-collisionnels................................................................................... 68

II.2.4.2 Modèles d'exhumation post-collisionnels.................................................................................. 70

II.2.5 Conclusions sur l'exhumation des Gneiss de l'Ouest........................................................................ 76

II.3 L'Arc de Bergen : un exemple d'exhumation profonde syn-collisionnelle......................... 76

II.3.1 Géologie de l'Arc de Bergen ............................................................................................................. 76

II.3.1.1 Structure générale....................................................................................................................... 76

II.3.1.2 Unités lithostratigraphiques........................................................................................................ 78

II.3.2 Déformation et métamorphisme calédonien ...................................................................................... 80

II.3.2.1 Phases de déformation et cinématique associée.........................................................................80

II.3.2.2 Métamorphisme scandien dans l'Arc de Bergen........................................................................ 82

II.3.3 Le métamorphisme de Haute-pression au sein de la Nappe de Lindås.............................................. 82

II.3.3.1 Protolithe de la Nappe de Lindås, histoire Précambrienne et corrélations................................. 82

II.3.3.2 Distribution du métamorphisme de haute-pression.................................................................... 83

II.3.3.3 Conditions et calendrier du métamorphisme calédonien............................................................ 84

II.4 Conclusions............................................................................................................................... 86

III Le massif granulitique partiellement éclogitisé d'Holsnøy..............................................91

III.1 Géologie d'Holsnøy................................................................................................................. 91

III.1.1 Deux unités avec des histoires métamorphiques différentes............................................................. 91

III.1.2 Le protolithe de l'unité de haute-pression : un massif anorthositique granulitique.......................... 92

III.2 Description macroscopique de l'éclogitisation..................................................................... 92

III.2.1 Des transformations métamorphiques partielles............................................................................... 92

III.2.1.1 Hétérogénéité des zones transformées...................................................................................... 94

III.2.1.2 Stades d'éclogitisation progressive........................................................................................... 95

III.2.2 Conséquences physiques de l'éclogitisation..................................................................................... 98

III.2.2.1 Augmentation de densité........................................................................................................... 98

III.2.2.2 Baisse de viscosité.................................................................................................................... 99

III.3 L'éclogitisation du protolithe granulitique nécessite un apport d'eau de l'extérieur.... 100

III.3.1 Mesure des quantités de fluide stockées......................................................................................... 100

III.3.2 Comparaison des paragenèses d'équilibre...................................................................................... 100

III.3.3 Transport du fluide......................................................................................................................... 101

III.3.4 Composition et origine des fluides................................................................................................. 101

III.4 Description microscopique de l'éclogitisation.................................................................... 102

III.4.1 Paragenèses granulitiques et éclogitiques....................................................................................... 102

5

III.4.1.1 Granulite................................................................................................................................. 102

III.4.1.2 Eclogite................................................................................................................................... 105

III.4.2 Réactions métamorphiques............................................................................................................. 105

III.4.2.1 Premiers stades de réactions ................................................................................................... 105

III.4.2.2 Stades intermédiaires.............................................................................................................. 106

III.4.2.3 Stades finaux de réaction........................................................................................................ 110

III.4.2.4 Synopsis des réactions métamorphiques.................................................................................110

III.5 Rétromorphose des éclogites ............................................................................................... 113

III.5.1 Rétromorphose amphibolitique ...................................................................................................... 113

III.5.2 Rétromorphose schistes verts ......................................................................................................... 113

III.6 Conclusions........................................................................................................................... 115

IV Processus de rééquilibration du grenat granulitique .....................................................119

IV.1 Fracturation dans le grenat liée à l'éclogitisation.............................................................. 120

IV.1.1 Caractéristiques des fractures éclogitiques..................................................................................... 120

IV.1.1.1 Morphologie des fractures...................................................................................................... 120

IV.1.1.2 Comparaison avec les fractures postérieures : rééquilibration du grenat granulitique............ 121

IV.1.1.3 Cicatrisation des fractures par du grenat éclogitique.............................................................. 123

IV.1.2 Variété des compositions et des morphologies des grenats............................................................ 125

IV.1.2.1 Rééquilibration du grenat granulitique (Grt II).......................................................................126

IV.1.2.2 Surcroissances de grenat éclogitiques (Grt III b).................................................................... 127

IV.1.2.3 Grenat cicatrisant les fractures (Grt III fc).............................................................................. 128

IV.1.2.4 D'autres (nombreux) stades successifs de croissance de grenat ? .......................................... 130

IV.1.3 Conclusions sur les grenats éclogitiques........................................................................................ 132

IV.2 Compléments sur les méthodes thermobarométriques utilisées....................................... 132

IV.2.1 Estimations dans la littérature des conditions de l'éclogitisation dans l'Arc de Bergen ................ 132

IV.2.2 Estimations P-T avec Thermocalc.................................................................................................. 133

IV.2.2.1 Principe................................................................................................................................... 133

IV.2.2.2 Etude des conditions de l'éclogitisation ................................................................................. 135

IV.2.3 Construction des pseudosections.................................................................................................... 136

IV.2.3.1 Principe et paramètres utilisés................................................................................................ 136

IV.2.3.2 Le problème des amphiboles.................................................................................................. 137

IV.2.4 Le thermomètre des oxydes de Fe-Ti............................................................................................. 140

IV.2.4.1 Occurrences des Fe-Ti oxydes dans les échantillons étudiés.................................................. 140

IV.2.4.2 Pétrologie des Fe-Ti oxydes ................................................................................................... 142

IV.2.4.3 Phases en présence dans les lames étudiées............................................................................143

IV.2.4.4 Conditions d'équilibre............................................................................................................ 143

IV.2.4.5 Une phase postérieure ?.......................................................................................................... 144

IV.2.4.6 Conclusions ............................................................................................................................ 144

IV.3 Article 1 ................................................................................................................................. 145

V Propagation à petite échelle des zones éclogitiques .........................................................181

V.1 Phases précoces d'éclogitisation............................................................................................ 182

V.1.1 Description des fractures décamétriques, et des zones éclogitiques en doigts de gant.................... 183

V.1.2 Modèle de pénétration dans la granulite.......................................................................................... 183

V.1.2.1 Fronts de diffusion macro- et microscopique........................................................................... 183

V.1.2.2 Mécanismes de diffusion+fracturation..................................................................................... 183

V.2 Microstructures dans les zones éclogitiques précoces......................................................... 187

V.2.1 Des orientations de fractures concentrées dans des directions particulières.................................... 187

V.2.2 Deux générations de fractures successives ?.................................................................................... 189

V.3 Modèle mécanique du couplage réaction-fracturation....................................................... 190

V.3.1 Description du modèle..................................................................................................................... 190

V.3.2 Résultats du calcul des contraintes .................................................................................................. 192

V.3.2.1 Solution générale ..................................................................................................................... 192

V.3.2.2 Solution pour l'ellipsoïde......................................................................................................... 193

V.3.3 Orientations des microfractures dans les grenats............................................................................. 196

6

V.4 Fracturation des grenats dans les larges bandes de cisaillement éclogitiques.................. 197

V.5 Conclusions............................................................................................................................. 198

VI La déformation éclogitique enregistre les premiers stades de l'exhumation.................203

VI.1 Méthodes d'étude de la déformation ductile...................................................................... 203

VI.1.1 Critères cinématiques..................................................................................................................... 203

VI.1.1.1 Ellipsoïde de la déformation................................................................................................... 203

VI.1.1.2 Modes de déformation............................................................................................................ 205

VI.1.1.3 Marqueurs de la déformation.................................................................................................. 206

VI.1.2 Application à la déformation éclogitique ....................................................................................... 207

VI.2 Cinématique de la déformation éclogitique........................................................................ 208

VI.2.1 Larges bandes de cisaillement éclogitiques.................................................................................... 208

VI.2.2 Domaines de granulite peu éclogitisée........................................................................................... 210

VI.2.3 Données de terrain.......................................................................................................................... 211

VI.3 Articles 2 et 3......................................................................................................................... 212

VI.4 Annexes.................................................................................................................................. 273

VII Conséquences mécaniques de l'éclogitisation sur l'exhumation profonde ................311

VII.1 Variations de rhéologie au cours de l'éclogitisation......................................................... 311

VII.1.1 Rhéologie de petite échelle ........................................................................................................... 311

VII.1.1.1 Forme générale des lois de comportement mécanique.......................................................... 311

VII.1.1.2 Rhéologie du plagioclase....................................................................................................... 312

VII.1.1.3 Rhéologie du pyroxène.......................................................................................................... 313

VII.1.1.4 Comparaison des rhéologies.................................................................................................. 314

VII.1.2 Une rhéologie de grande échelle difficile à contraindre................................................................316

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