La modélisation expérimentale tridimensionnelle thermo mécanique de la subduction continentale et l'exhumation des roches de ultra haute pression/basse température

3-D thermo-mechanical laboratory modelling of continental subduction and exhumation of ultra high pressure/low temperature rocks

• Auteur / Autrice : David Boutelier
• Direction : Alexandre I. Chemenda
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Nice-Sophia Antipolis. Faculté des sciences

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lithosphère

Orogenèse

Subduction

Modèles mathématiques

Résumé

La distribution spatiale des massifs UHP/BT montre que leur exhumation est un phénomène 3D qui a lieu uniquement dans des zones particulières des chaînes de montagnes caractérisées par une complexité structurale et/ou géométrique. Dans les expériences de modélisation thermo mécanique 2D de la subduction continentale en régime de faible compression, nous obtenons l'exhumation de roches HP depuis des profondeurs d'environs 70 km. La croûte continentale subduite plus profondément dans l'asthenosphere devient trop chaude (peu résistante). Elle se détache du manteau continental subduit, flue verticalement et se sous plaque sous la plaque chevauchante. La subduction continentale en régime de forte compression peut provoquer la rupture de la plaque chevauchante dans l'arc volcanique ou le bassin arrière arc aboutissant à la subduction du bloc avant arc ou de la plaque d'arc. La croûte continentale subduite avec ces unités peut atteindre 200 km de profondeur en étant guidée par ces unités et le manteau continental subduit. Dans ces conditions, la croûte est soumise aux conditions UHP/BT, mais elle ne peut pas être exhumé dans un contexte 2D. Nous montrons numériquement en 3D, que la subduction le long d'une frontière de plaques convexe entraîne localement dans la plaque chevauchante une extension horizontale parallèle à la frontière qui provoque localement le retrait du front de cette plaque et la réduction de la pression inter plaque. En imposant cette déformation extensive à la plaque chevauchante dans un modèle expérimental thermo mécanique 3D nous avons obtenus l'exhumation locale des roches UHP/BT et avons pu étudier en détails son mécanisme.

Spatial distribution of UHP/LT terrains evidences that their exhumation is essentially a 3-D process that takes place in specific sites of the mountain belt characterised by structural and/or geometrical complexities. In 2-D thermo-mechanical laboratory experiments of continental subduction in the low compressional regime, we obtained exhumation of HP rocks from depth limited by the overriding plate thickness (~70 km). Deeper subducted crust becomes too hot and hence weak. It flows up and underplates the overriding lithosphere. In 2-D experiments corresponding to highly compressional regime, the continental margin subduction causes failure of the overriding plate resulting in subduction of the fore-arc block or arc plate. The continental crust subducts to more than 200 km-depth, being sandwiched between the subducting "cold" block/plate and the subducted continental mantle. This crust thus meets UHP/LT conditions. It is still very weak but cannot flow up in this 2-D context, being blocked between the indicated rigid units. We show numerically that subduction along a convex plate boundary generates locally within the overriding plate along-boundary extension that produces local retreat of this plate front and thereby reduction of interplate pressure. Such a reduction is necessary to allow exhumation. By applying this extension to the overriding plate in a 3-D thermo mechanical model we do obtained local exhumation of UHP/LT and investigated in detail its mechanism.