Fusion partielle, transfert de magma et partitionnement de la déformation au cours de l’orogénèse Varisque : Exemple des massifs des Aiguilles-Rouges (Alpes) et de l’Agly (Pyrénées)

Partial melting, magma transfer and strain partitioning during the Variscan orogeny : Example of the Aiguilles-Rouges massif (Alpes) and Agly massif (Pyrenees)

• Auteur / Autrice : Jonas Vanardois
• Direction : Didier Marquer, Pierre Trap
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et évolution de la terre
• Date : Soutenance le 08/12/2021
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire chrono-environnement (Besançon) - Laboratoire Chrono-environnement / LCE
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Guillot
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Muriel Gerbault, Florence Cagnard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michel de Saint-Blanquat, Yann Rolland

Mots clés

Mots clés contrôlés

Métamorphisme (géologie)

Cycle hercynien

Mots clés libres

Orogenèse varisque

Partitionnement de la déformation

Métamorphisme

Fusion partielle

Variscan orogeny

Strain partitioning

Metamorphism

Partial melting

Résumé

A l’échelle des orogénèses, la déformation et la rhéologie de la lithosphère continentale sont fortement contrôlées par les processus de migmatisation et les phénomènes magmatiques au cours de l’évolution des grandes chaines continentales. La déformation de la croûte moyenne assistée par les mécanismes de fusion partielle et la présence de liquides silicatés joue un rôle majeur dans l’accommodation de grands déplacements horizontaux et verticaux au sein de l’orogenèse en construction. Ces fluages de la croûte partiellement fondue sont décrits dans les grands systèmes orogéniques actuels (Himalaya et Andes) et anciens (Chaîne Varisque). Dans le détail, la déformation syn-orogénique, les processus de ségrégation des liquides silicatés et leur migration dans la croûte orogénique sont des phénomènes inter-opérant de manière complexe, à plusieurs échelles de temps et d’espace.Par l’étude structurale, pétrologique et géochronologique des massifs Varisques de l’Agly (Pyrénées) et des Aiguilles-Rouges (Alpes), nous abordons cette problématique en ciblant les interactions entre partitionnement de la déformation et fusion partielle dans une croûte orogénique à haute-température. En parallèle, nous proposons de repositionner ces massifs dans leur cadre tectonique Varisque afin d’améliorer la compréhension des processus de fluage à l’origine de leur construction et leur structuration.L’analyse structurale du massif de l’Agly et la datation des déformations indiquent que la fusion partielle commence dès 325 Ma et se termine aux alentours de 300 Ma. Cette migmatisation est contemporaine du développement d’une fabrique planaire subhorizontale interprétée comme le fluage horizontal gravitaire de la croûte partiellement fondue. Ce fluage est localement perturbé par une zone de cisaillement dextre kilométrique drainant les liquides magmatiques et permettant le transfert et l’emplacement de plutons dans la croûte supérieure. Cette déformation dextre est interprétée comme une des branches nord d’une zone de cisaillement d’échelle crustale représentée par la zone axiale des Pyrénées.Dans les Aiguilles-Rouges, la reconstitution du trajet P-T-t-D des éclogites et de métapélites de moyen grade indiquent un enfouissement en conditions de MP/MT jusqu’à des conditions de haut grade atteignant des conditions de pression-température maximales de l’ordre de 1.75 GPa et 710 °C à 340-330 Ma. L’existence d’une ancienne zone de subduction océanique dans les Massifs Cristallins Externes (ECMs) potentiellement associée à ces conditions de HP-HT est questionnée et discutée. Nos données indiquent qu’entre 340 et 330 Ma, la croûte inférieure est exhumée à la faveur d’un fluage horizontal de la croûte partiellement fondue pendant que la croûte moyenne/supérieure subit un enfouissement, dans un régime global en transpression dextre. Ces deux unités sont ensuite juxtaposées et exhumées par les mouvements transcurrents dextres le long de l’Eastern Variscan Shear Zone (EVSZ). Nos données suggèrent que la nucléation des zones de cisaillement verticales composant l’EVSZ s’opère dès les premiers stades de migmatisation et préférentiellement dans les orthogneiss subissant une fusion hydratée. La EVSZ évolue ensuite sous la forme d’un large réseau de zones de cisaillement anastomosées favorisant le drainage des fluides, augmentant la production de liquides à l’origine de la formation de plutons syn-cinématiques, mis en place dans les zones de dilatance d’échelle crustale.La synthèse de nos résultats nous permet de proposer une évolution géodynamique des ECMs s’intégrant dans l’évolution de la chaîne Varisque Européenne et nous conduisent à présenter une nouvelle reconstitution paléogéographique de la branche Sud-Est Varisque à la fin du Carbonifère. Cette nouvelle vision du positionnement des ECMs, et la comparaison avec le massif de l’Agly nous permettent de discuter de l’évolution spatiale et temporelle du fluage de la croûte fondue au cours du Carbonifère.

During late orogenic evolution, deformation of the continental lithosphere is highly influenced by partial melting and magmatic processes. Melt-assisted deformation of the partially-molten middle crust plays a major role in the accommodation of large horizontal and vertical displacements of molten crustal domains during the building of the orogenic plateaus as described in actual and ancient orogenic systems (e.g. Himalayan-Tibetan, Andean and Variscan belts). In detail, syn-orogenic deformation, melts segregation and melt migration in the orogenic crust are complex phenomena, which interact at several time and space scales.Through structural, petrological and geochronological studies of the Variscan Agly and Aiguilles-Rouges massifs (North Pyrenean Zone and Western Alps, respectively), the interplay between deformation partitioning, partial melting and magmatic processes in the hot orogenic crust is investigated. Meanwhile, the geodynamic setting and evolution of these massifs are replaced in the global Variscan tectonic framework in order to improve the understanding of late-orogenic crustal flow.The structural analysis of the Agly massif and U-Th-Pb dating highlight that crustal partial melting started at ca. 325-320 Ma and ended at ca. 300 Ma in this part of the Variscan belt. Partial melting was synchronous with the development of a sub-horizontal planar fabric interpreted as the horizontal gravity-driven flow of the partially molten crust. This flow is locally disturbed by a kilometre-wide dextral shear zone along which melts are transferred upwards with plutons emplacement in the upper crust. This dextral deformation is interpreted as one of the northern branches of a crustal-scale shear zone represented by the Pyrenean Axial Zone.In the Aiguilles-Rouges massif, the reconstruction of the P-T-t-D paths of the eclogites and metapelites indicates a burial in MP/MT conditions reaching high-pressure high-temperature conditions at ca. 1.75 GPa and 710 °C at 340-330 Ma. The existence of an ancient oceanic subduction zone in the External Crystallin Massifs (ECMs) potentially associated with these HP-HT conditions is questioned and discussed. Our results indicate that between 340 and 330 Ma, the lower crust was exhumed by a horizontal flow of the partially molten crust while the middle/upper crust was buried during a dextral transpressive regime. These two crustal units are then juxtaposed and exhumed by dextral transcurrent movements along the continental scale Eastern Variscan Shear Zone (EVSZ). Our data suggest that the nucleation of the vertical shear zones composing the EVSZ started together with the onset of water-present melting of orthogneiss. The EVSZ then evolved into a large anastomosed network of shear zones, mainly active between 340 and 300 Ma. The development of the anastomosed network enhanced aqueous fluid drainage, which increased the production of melt at the origin of syn-kinematic plutons that emplaced within crustal-scale dilation structures. In the upper crust, these transcurrent movements deformed a detrital basin formed between 370 and 350 Ma during a rifting stage in a back-arc setting related to the subduction of the Saxothuringian ocean beneath the Moldanubian Zone. This basin was later reactivated in a pull-apart basin between 330 and 310 Ma.Our results allow to propose a tectonic model of the ECMs that fits in the bulk evolution of the European Variscan belt. We also present a reappraisal of the paleogeographic location of the ECMs in the Variscan belt during Carboniferous time. This new vision of the position of the ECMs and the comparison with the Agly massif allow to discuss and to propose a new spatial and temporal evolution of the flow of the partially molten crust during the Variscan late-orogenic evolution.