Etude critique des contraintes d'âges sur le métamorphisme dans les zones de convergence : de l'enfouissement à l'exhumation

A critical study of age constraints on metamorphism in convergence zones : from burial to exhumation

• Auteur / Autrice : Martin Simon
• Direction : Pavel Pitra, Marc Poujol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et des planètes
• Date : Soutenance le 10/02/2023
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : EGAAL
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Rennes)
• Jury : Président / Présidente : Loïc Labrousse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Valérie Bosse, Ohilippe Yamato, Jaroslaw Majka
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Loïc Labrousse, Stéphanie Duchêne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éclogite

Tectonique

Géochronologie

Pétrologie

Mots clés libres

Pétrologie

Géochronologie

Tectonique

Roches métamorphiques

Éclogite

Petrology

Geochronology

Tectonics

Metamorphic rocks

Eclogite

Résumé

Dans les anciens orogènes, déterminer avec précision l’évolution pression–température–temps (P–T–t) des roches métamorphiques est important pour estimer la vitesse des processus menant à la formation de la chaîne de montagnes. Cependant, l’interprétation des âges obtenus pour ces roches, spécifiquement les âges sur zircon, fait débat. En effet, le comportement de ce minéral, pourtant le plus fréquemment daté, est assez peu compris, et relier sa cristallisation à une portion du chemin P–T est une tâche délicate. L’étude de deux séries d’échantillons collectés dans la région de Nordfjord-Stadlandet (Région des Gneiss de l’Ouest, Norvège) permet d’apporter de nouveaux éléments quant aux contraintes d’âges sur le métamorphisme de haute pression. Le zircon montre des résultats sensiblement différents entre les affleurements : pour l’un, un seul âge concordant a été obtenu, tandis que pour le second affleurement, les analyses sur zircon révèlent de nombreuses dates, couvrant environ 40 Ma. Dans les deux affleurements, les éléments de diagnostics usuels (partage des terres rares entre grenat et zircon, thermométrie sur éléments traces) ne permettent pas de relier ces âges à des portions bien définies des chemins P–T déduits pour les roches étudiées. Les âges sur zircon ne font sens et ne peuvent être intégrés à l’évolution P–T que grâce à la comparaison avec les âges sur grenat et rutile. De fait, le zircon semble plus prompt à (re)cristalliser après le pic métamorphique, datant donc la décompression et le refroidissement. Cette étude présente aussi une nouvelle évidence naturelle du découplage entre le lutécium et l’hafnium dans le grenat, vieillissant artificiellement la date Lu–Hf de plusieurs dizaines de millions d’années, et causé par la rééquilibration du grenat lors d’un réchauffement associé à la décompression post-métamorphisme de faciès éclogite. Enfin, d’un point de vue de la géologie régionale, les différences pétrologiques (la zonation absente ou présente dans le grenat, la forme du chemin P–T) et géochronologiques observées entre les échantillons des deux affleurements peuvent suggérer une structure de la zone d’étude plus complexe que celle admise actuellement. L’étude pétrologique d’une des deux éclogites fraîches suggère une compression isotherme de ~15 à 29 kbar, à 600 °C. Cette évolution prograde inhabituelle nécessite de remettre en question l’interprétation habituellement faite de la pression comme indicateur des profondeurs atteintes par les roches, et donc des mécanismes responsables du métamorphisme d’ultra-haute pression dans les zones de convergence.

In past orogens, the precise determination of the pressure–temperature–time (P–T–t) evolution of metamorphic rocks is essential to constrain the tectonic history of the studied area. However, the interpretation of the ages obtained for these rocks, specifically zircon ages, is debatable. The behaviour of this mineral during high pressure metamorphism, although it is the most frequently dated, is indeed poorly understood and associating zircon ages with specific portions of the P–T evolution may be arduous. The investigation of two series of rock samples from the Nordfjord-Stadlandet area (Western Gneiss Region, Norway) brings insightful data about the age constraints on high-pressure metamorphism. Zircon shows contrasting results between the two studied sample series: a unique concordant date has been obtained for the eclogites from the first outcrop, while zircon dates cover a ~40 Myr range in the eclogites from the second outcrop. In both cases, neither the rare-earth element partitioning between zircon and garnet nor the trace-element thermometry can be used to ascribe zircon dates to specific portions of the inferred P–T paths. Rather, zircon dates make sense and can be incorporated into the inferred P–T evolution only by comparing them with garnet and rutile dates. Zircon seems to mostly (re)crystallize after the peak metamorphic conditions and to date the subsequent cooling and decompression. This study also brings a new natural evidence for decoupling between lutecium and hafnium in garnet, producing an artificially old Lu–Hf date, caused by garnet re-equilibration during decompression and post-peak heating. Finally, the data allow to discuss the P–T–t evolution of the studied area. The petrological (zoned vs unzoned garnets, shape of the P–T paths) and geochronological differences between the samples from the studied outcrops might imply a more complex structure of the study area than currently recognised. Moreover, the isothermal compression of an eclogite from ~15 to 29 kbar at 600 °C, inferred from the petrological investigation, compels to question the interpretation of pressure, either only dependent on depth or partially resulting from tectonic stresses, as well as the mechanisms causing eclogite-facies metamorphism in convergence zones.