Comportement mécanique des roches et dynamique des lithosphères dans les zones de convergence

Mechanical behavior of rocks and lithosphere dynamics in convergence zones

• Auteur / Autrice : Solenn Hertgen
• Direction : Philippe Yamato, Benjamin Guillaume
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 21/12/2018
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Écologie Géosciences Agronomie Alimentation (Rennes ; 2016-2022)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Rennes)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Roches -- Déformation

Pétrologie

Rhéologie

Lithosphère

Mots clés libres

Dynamique de la lithosphère

Zones de convergence

Rhéologie des roches

Pétrologie métamorphique

Modélisation numérique thermo-Mécanique

Lithosphere dynamics

Convergence zones

Rock rheology

Metamorphic petrology

Thermo-Mechanical numerical modeling

Résumé

Les zones de convergence sont des objets clés à la compréhension de la dynamique de la lithosphère. Elles sont le siège de déformations majeures comme en témoignent la concentration et l’intensité des séismes qui leur sont associées. A plus grande échelle de temps et d'espace, ces déformations résultent généralement en un empilement d’unités dont l’étude offre l'accès aux différents niveaux structuraux mis en jeu dans l'organisation de la chaîne de montagnes. Caractériser précisément la dynamique de structuration de ces unités ainsi que les paramètres contrôlant cette dynamique constitue une étape cruciale permettant d’aller plus loin, notamment quantitativement, dans notre connaissance de la dynamique lithosphérique. Cette thèse a comme double objectif (1) de préciser le comportement rhéologique des roches aux conditions Pressions-Température P-T du faciès éclogitique au sein de l' interface de subduction et (2) de caractériser et quantifier l' influence de la rhéologie de la plaque supérieure, et plus spécifiquement, le rôle de sa partie crustale, sur l'évolution spatio-temporelle des zones de convergence. Pour cela, une approche multi-disciplinaire a été utilisée. Dans un premier temps, je présente une analyse multi-échelle couplant travail de terrain et de pétrologie métamorphique qui a permis d'étudier la déformation au sein de roches HP-BT à l' interface de subduction au niveau de la klippe du Mont-Emilius (Alpes occidentales, Italie). Je détaille ensuite une étude quantitative alliant modélisation numérique thermo-mécanique 3D et 2D de zones de convergence. L'ensemble des modèles a permis d'analyser de nombreux paramètres influençant la structure rhéologique de la plaque supérieure tels que le géotherme initial, l'épaisseur de la lithosphère et de la croûte et la nature des matériaux impliqués. L'ensemble des modèles réalisés sont contraints/confrontés par/aux des données issues d'exemples naturels. Les résultats de l'étude sur des roches déformées au sein de l’interface de subduction mettent en évidence le possible comportement cassant des roches à des conditions de pression et température de l'ordre de 2.15-2.40 GPa, 500-550 °C, i.e., dans le faciès éclogitique. L’enregistrement d’un tel mode de déformation est d'une importance capitale car il remet en question le paradigme d’un comportement ductile sans résistance au niveau de l’ interface de subduction. Les résultats obtenus via les modèles numériques montrent par ailleurs que la rhéologie de la plaque supérieure, ainsi que celle de sa seule partie crustale, a une influence de premier ordre sur la dynamique globale des zones de convergence en modifiant notamment le mode de subduction, la cinématique de la fosse, le mode d'exhumation lors d'une collision, le timing de la déchirure du slab et de la formation de bassins d'arrière-arc, la répartition et l'intensité de la déformation au sein de la plaque supérieure. La combinaison des méthodes de pétrologie et de modélisation numérique a permis d'obtenir une analyse quantifiée de l' influence de la rhéologie des lithosphères impliquées dans les zones de convergence sur la dynamique de ces zones. Cette thèse présente ainsi de nouvelles contraintes à notre compréhension de la réponse mécanique de la lithosphère, en fonction de sa structuration rhéologique et de sa place au sein des zones de convergence à petite et grande échelle. Les nouvelles données présentées révèlent l' impact majeur de la rhéologie de la lithosphère dans les zones de convergence. Ce paramètre amène ainsi à reconsidérer notre vision actuelle des zones de convergence.

Convergence zones are key objects to the understanding of the lithosphere dynamics. They are the location correspond to places of intense deformation as evidenced by the concentration and magnitude of recorded earthquakes. On a larger scale of time and space, these deformations generally result in nappes stacking whose study offers access to the different structural levels involved in the mountain belt structuration. Precisely characterizing the structuring dynamics of these units as well as the parameters controlling this dynamic is a crucial step that would allow in particular a better quantification of lithospheric dynamics. The aim of this thesis is twofold: (1) clarifying the rheological behavior of rocks in the Pressure-Temperature (P-T) conditions of the eclogitic facies at the subduction interface and (2) characterizing and quantifying the influence of the overriding plate rheology, and more specifically, the role of its crustal part, on the spatio-temporal evolution of convergence zones. For this, I used a multi-disciplinary approach. First, I present a multi-scale analysis combining fieldwork and metamorphic petrology, which allowed me to study the deformation within High Pressure-Low Temperature (HP-LT) rocks at the subduction interface in the Mont-Emilius klippe (Western Alps, Italy). Then, I show the results of a quantitative study combining 3D and 2D thermo-mechanical modeling of convergence zones. The entire set of models allowed me to analyze different parameters influencing the rheological structure of the overriding plate, such as the initial geotherm, the thicknesses of the lithosphere and the crust, and the nature of the involved materials. All the performed models are constrained/compared by/with data from natural examples. The results of the study on deformed rocks within the subduction interface highlight the possible brittle behavior of rocks at pressure and temperature conditions on the order of 2.15-2.40 GPa and 500-550 °C, i.e., in the eclogitic facies. The recording of such a deformation mode is of paramount importance because it challenges the paradigm of subduction interface caracterized by ductile behavior without resistance. The results obtained with the numerical models show that the rheology of the overriding plate, as well as that of only its crustal part, has a first-order influence on the overall dynamics of the convergence zones by modifying the mode of subduction, trench kinematics, the mode of exhumation during collision, the timing for slab break-off and back-arc basin formation, the location and intensity of deformation within the overriding plate. The combination of petrology and numerical modeling methods allowed me to obtain a quantified analysis of the influence of the rheology of the lithospheres involved in convergence zones on the dynamics of these zones. This thesis presents new constraints for our understanding of the mechanical response of the lithosphere at different spatial scales as a function of its rheological structure. The new data presented here reveal the major impact of the lithosphere rheology in convergence zones. This parameter leads us to reconsider our current view of the convergence zones.