L'impact rhéologique de la fusion partielle de la croûte continentale : l'exemple de la Région des Gneiss de l'Ouest, Norvège

• Auteur / Autrice : Anne-Céline Garel-Laurin
• Direction : Loïc Labrousse, Laurent Arbaret, Gaëlle Prouteau
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre
• Date : Soutenance en 2013
• Etablissement(s) : Paris 6
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....) - Institut des sciences de la Terre de Paris (2009-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Migmatite

Lithosphère

Norvège

Rhéologie

Mots clés libres

Mots clés libres

Résumé

La présence de migmatites dans les zones internes des orogènes de collisions indiqueque leur racine crustale a subi la fusion partielle lors de l’enfouissement et/ou lors del’exhumation. Si l’anatexie est couramment considérée comme un phénomène adoucissant pour la croûte continentale, les relations entre fusion partielle, déformation et paramètres rhéologiques des migmatites sont encore faiblement contraintes. Il est donc important d’étudier de façon précise les conditions pressions, températures et temporelles de l’initiation de la fusion ainsi que de déterminer la gamme de pressions et températures sur laquelle du liquide silicaté était présent. La Région des Gneiss de l’Ouest en Norvège présente des domaines métamorphiques d’ultra-haute pression, dont l’histoire pression-température-temps est bien contrainte. Bien que des migmatites y soient connues, elles sont encore peu intégrées au sein de leur histoire. La Région des Gneiss de l’Ouest un donc un bon candidat pour l’étude des relations entre fusion partielle, métamorphisme, déformation et leurs implications géodynamiques. Ce travail propose une étude intégrée des relations entre fusion partielle, métamorphisme et déformation du terrain aux modèles numériques en passant par l’expérimentation. Il a consisté en une étude structurale, pétrologique et géochimique détaillée des indices de fusion partielle présents au sein de la Région des Gneiss de l’Ouest montrant que les gneiss mais aussi les lentilles éclogitiques ont subi la fusion partielle dont une partie correspond à de la fusion hydratée. La production de liquide silicaté a démarré dès les conditions métamorphiques des éclogites et a perduré jusqu’aux pressions du facies des amphibolites. Du liquide silicaté a donc été présent au sein de la croûte continentale de l’orogène sur une vaste gamme de pressions (>2GPa à ≈1 GPa). L’étude de terrain a été associée à une étude expérimentale du comportement mécanique des migmatites, étude réalisée à basse pression en presse Paterson sur un gneiss naturel faiblement anisotrope et homogène. Des expériences sous conditions statiques ont révélées que le gneiss choisi fondait à 750°C uniquement en présence d’eau libre. La chute majeure de résistance de la roche partiellement fondue à lieu dès 4% de liquide silicaté présent, ce qui correspond aux estimations basses du seuil rheologique des migmatites. Ce volet expérimental a été couplé à une étude numérique du comportement mécanique des migmatites à l’aide de la plateforme de simulation ELLE. Le couplage entre la migration des joints de grains et la déformation visqueuse révèle le développement de microstructures différentes selon les angles de mouillage et les vitesses de déformation utilisés. A des angles de mouillage faibles et à fortes vitesses de déformation, les poches de liquide sont cisaillées et se connectent les unes aux autres le long des bandes de cisaillements produites. A fortes vitesses de déformation, les poches se connectent les unes aux autres à ≈90° de la direction de cisaillement. La quantité de joints de grains mouillés par du liquide silicaté est maximale dans les simulations à forte vitesse de déformation. C’est aussi à forte vitesse de déformation que la résistance de l’agrégat est la plus faible. Ces simulations ont des implications fortes pour la rhéologie des roches partiellement fondues mais aussi pour d'autres assemblages bi-phasés tels que le système glace d'eau-bulles d'air ou le système péridotiteliquides métalliques à la transition noyau manteau.

Occurrence of migmatites within internal core of collision orogens reveals that partial melting of their crustal root occurred during their prograde and/or retrograde pressure-temperature path. If partial melting of the continental crust is generally considered as a weakening process, relationships between partial melting, deformation and mechanical behaviour of migmatites are poorly constrained. This work corresponds to an integrated study from the field to numerical simulations through laboratory experiments. The field approach led to conclude that both gneiss and eclogite facies lenses underwent first water-present and then dehydration partial melting. Field study was coupled with an experimental study of natural migmatite mechanical behaviour performed at realistic temperatures on slightly anisotropic and homogeneous partially molten gneiss. Static experiments revealed that at 750¡C and 300MPa, partial melting reaction of the natural protolith is a water-present reaction. In the presented deformation experiments, the strength drop occurs as soon as 4% of melt proportion, which belongs to the lowest estimates of rheological threshold. The last part of this work deals with numerical modelling using the simulation software ELLE. Coupling between grain-size processes such as boundary migration and viscous deformation reveals that development of microstructures depends on wetting angle and strain rate.