Brèches éclogitiques du Monviso (Alpes Ouest) : Preuves structurelles pétrographiques et géochimiques de ruptures multiples par étapes à profondeurs intermédiaires en zones de subduction

Eclogitic breccias from Monviso (W. Alps) : structural, petrographic and geochemical evidence for multiple rupture stages at intermediate depths in subduction zones

• Auteur / Autrice : Michele Locatelli
• Direction : Anne Verlaguet, Philippe Agard, Laura Federico
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science de la Terre
• Date : Soutenance le 15/09/2017
• Etablissement(s) : Paris 6 en cotutelle avec Università degli studi (Gênes, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre de Paris (2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Jolivet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Sarah Penniston-Dorland
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Hugues Raimbourg, Stéphane Guillot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éclogite

Viso (Italie ; mont)

Brèches (géologie)

Subduction

Mots clés libres

Séismes intermédiaires

Plaques océaniques

Subduction

Faciès éclogites

Brèches éclogitiques

Mont Viso (W Alps, Italie)

Ecologite breccia

Monviso

Intermediate-depth earthquakes

Résumé

Les séismes intermédiaires (40-325 km de profondeur) ont été largement documentés dans les plaques océanique en subduction mais leur mécanismes déclencheurs restent énigmatiques et très peu compris en raison (I) des incertitudes instrumentales sur l'acquisition des données géophysiques et (II) de la rareté des exemples de roches métamorphisées dans des conditions du faciès éclogites et préservant (sans ambiguïté) les structures produites par des séismes intermédiaires. Bien que toujours limité, il y a de plus en plus de preuves que les lambeaux « fossiles » de lithosphère océanique exhumée de taille pluri-kilométrique peuvent enregistrer les processus chimiques et mécaniques caractéristiques de la sismicité de profondeur intermédiaire. Ce projet de doctorat étudie l'impact de la libération et de l'infiltration des fluides métamorphiques sur la génération des brèches éclogitiques disséminées dans une zone de cisaillement de 15 km de long, exposée dans un fragment presqu’intact de lithosphère océanique Tethysienne, subduite jusqu'à 80 km de profondeur (2.6 GPa - 550 ° C, unité du Lago Superiore): le complexe métaophiolitique du Mont Viso (W Alps, Italie). Trois zones de cisaillement majeures ont été étudiées, et en particulier la Lower Shear Zone (LSZ), dans laquelle des blocs de métagabbros mylonitiques éclogitisés et brechifiés (potentiellement lors d’une phase sismique) sont dispersés, avec des blocs métasédimentaires, dans la matrice serpentineuse de la zone de cisaillement.Dans cette dernière zone de cisaillement, une attention particulière a été portée à la caractérisation pétrologique et structurale de 196 blocs exhibant ces brèches (dans lesquels plus de 100 échantillons ont été récoltés), notamment à travers l’étude (i) de leur répartition dans la zone de cisaillement et (ii) de leurs caractéristiques morphologiques (longueur, largeur, hauteur, volumétrie relative de la matrice par rapport aux clastes et nature des clastes). Ces données ont été synthétisées dans une nouvelle carte géologique détaillée des méta-ophiolites du Mont Viso à l’échelle 1 : 20.000. L’étude pétro-structurale a permis de montrer que la formation des brèches résulte de passages transitoires de la déformation ductile à cassante dans le faciès éclogitique, comme le montre la foliation mylonitique dues métagabbros (composée de l’assemblage omphacite + rutile ± grenat et quartz) recoupé par des plans de brèches cimentées par des matrices riches en omphacite ± grenat et lawsonite. Elle montre également que la formation des brèches n'est pas liée à des événements pré-alpins (brèches sédimentaires ou tectoniques superficielles) comme d’autres auteurs l’ont proposé (Balestro et al. 2013; Festa et al. 2015). L'analyse des éléments en trace (in-situ et dans la roche totale), en lien avec une caractérisation rigoureuse des microstructures dans les blocs de brèches, a permis de mettre en évidence un changement progressif des fluides circulant pendant la bréchification. Les premières ruptures fragiles (locales, M1) ont été déclenchées par des fluides dérivés localement (e.g. metagabbros) avec une injection progressive de fluides «exotiques» (dérivés de la déshydratation de serpentinite) provoquant la bréchification dans l'intégralité des LSZ and ISZ (avec la cristallisation de M2 et M3). En raison de l'extension limitée des affleurements, l'origine sismique des brèches eclogitiques reste spéculative. Néanmoins, plusieurs preuves (par exemple, les minéraux fracturés et décalés le long des niveaux micrométriques riches en omphacite) suggèrent que les brèches d'eclogite du Monviso ont été générées par rupture fragile instantanée.

Intermediate-depth earthquakes (40-325 km depth) have been extensively documented within subducting oceanic slab but their triggering mechanisms remain enigmatic due to (I) the instrumental uncertainties on geophysical data acquisition and (II) the scarcity of examples of exhumed (and unambiguously recognized) eclogite-facies earthquake-derived rocks. Although still limited, there is growing evidence that large-scale, “fossil” exhumed portions of subducted lithosphere may record both chemical and mechanical processes operating in the depth range of intermediate-depth seismicity. This thesis project investigates the role of metamorphic fluids in the formation of the eclogitic breccias (resulting from potentially seismic deformation) found in a 15 km-long shear zone developed in an almost intact fragment of Tethyan oceanic lithosphere metamorphosed to eclogite-facies peak metamorphic conditions (2.6 GPa - 550 °C) during Alpine subduction: the Monviso metaophiolite complex (W. Alps). Three major shear zones cutting across the complex at low angle were studied, with a major focus on the Lower Shear Zone -LSZ-, where blocks of variably brecciated (and potentially seismically-derived) Fe-Ti and Mg-Al metagabbros are embedded, together with metasedimentary blocks, in a talc and tremolite-rich serpentinite matrix. Particular attention was paid to the petrological and structural characterization of 196 breccia blocks (in which more than 100 samples were collected), with (i) detailed analysis and mapping of their distribution in the LSZ and (ii) morphological characterization (block size, relative volume of matrix with respect to clasts and matrix-clast composition). These data have been synthesized in a new detailed geological map of Monviso meta-ophiolite at a scale of 1: 20,000. The mylonitic foliation of intact Mg-Al-rich metagabbros (composed of omphacite + rutile ± ex-lawsonite ± quartz and locally garnet) cut by breccia planes (cemented by omphacite + garnet ± ex-lawsonite) univocally indicates brecciation at eclogite facies conditions. In the breccias the occurrence of a first omphacite-rich matrix (M1) cut by a second matrix rich in garnet + lawsonite pseudomorphs (M2) witnesses multiple brittle rupture events (probably shortly spaced in time) prior to a stage of massive eclogite facies fluid ingression (matrix M3). Trace elements analysis (in-situ and bulk) coupled to rigorous microstructural characterization of samples suggest a progressive change of fluids circulating during the brecciation. First brittle event M1 was triggered by locally-buffered fluids (e.g., from metagabbros) with later ingression of “exotic” fluids (e.g., from serpentinites) triggering the brecciation events M2 and M3. Due to the limited extension of outcrops, the coseismic origin of the eclogitic breccia remains somehow speculative; nevertheless several evidences (e.g., minerals fractured and offset along omphacite-bearing planes) suggest that Monviso eclogite breccias were generated by instantaneous brittle rupture.