Couplages entre métamorphisme, fluides et déformation : étude de cas de l’éclogitisation dans les Arcs de Bergen

Couplings between metamorphism, fluids and deformation : a case study of eclogitisation in the Bergen Arcs

• Auteur / Autrice : Erwan Bras
• Direction : Philippe Yamato
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et des planètes
• Date : Soutenance le 15/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Écologie, Géosciences, Agronomie, Alimentation (Rennes ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Rennes ; 2000-....)
• Jury : Président / Présidente : Laetitia Le Pourhiet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Thibault Duretz, Lucie Tajcmanova, Benjamin Malvoisin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Laetitia Le Pourhiet, Philippe Goncalves

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles en géologie

Interaction fluide-roche

Cisaillement (géologie)

Éclogite

Mots clés libres

Éclogitisation

Bande de cisaillement

Interaction fluides-Roche

Modélisation numérique

Eclogitisation

Shear zone

Fluid-Rock interaction

Numerical modelling

Résumé

L’éclogitisation est un processus emblématique des zones de subduction continentales. Elle fait intervenir aussi bien la transformation de l’assemblage minéralogique, une modification de rhéologie et de perméabilité, une interaction entre fluides et roche, et une déformation tantôt visqueuse, tantôt cassante, susceptible de causer des séismes. L’étude des couplages entre réactions métamorphiques, déformation et fluides est donc cruciale pour comprendre la nature et la rhéologie de la croûte continentale inférieure lorsque celle-ci atteint des conditions de haute pression. Cette thèse a pour objet l’étude de ces couplages, à travers un cas de terrain précis : l’éclogitisation de la granulite de l’île d’Holsnøy, une partie aujourd’hui exhumée de l’ancienne croûte inférieure de la chaîne de montagnes calédonienne, dans les Arcs de Bergen à l’ouest de la Norvège. L’observation des structures sur le terrain révèle que la déformation et la circulation de fluides sont les moteurs de l’éclogitisation de la croûte inférieure. Cependant, l’évolution temporelle et les conditions de pression des zones éclogitiques sont toujours énigmatiques. Au cours de cette thèse, je me suis donc appliqué à comprendre comment les rétroactions entre transformation métamorphique, transport de fluides et déformation peuvent expliquer l’évolution spatio-temporelle des zones éclogitiques d’Holsnøy. Cette thèse est structurée en trois chapitres principaux, qui correspondent à deux articles scientifiques déjà publiés, et un troisième en préparation. Dans un premier temps, j’ai réalisé une étude pétrologique détaillée d’une bande de cisaillement éclogitique de Holsnøy, afin de déterminer les changements minéralogiques et texturaux qui transforment la granulite en éclogite au cours des réactions métamorphiques successives. Ces observations révèlent que les premières réactions affaiblissent la granulite, et les dernières réactions restaurent en partie la résistance de la roche. J’ai élaboré un modèle numérique qui illustre que ce mécanisme d’affaiblissement transitoire, associé à la circulation de fluides, contribue à l’élargissement des bandes de cisaillement au cours du temps.Dans un deuxième temps, j’ai élaboré un modèle numérique pour étudier comment l’apport épisodique de fluides pressurisés peut propager l’éclogitisation dans la granulite, même si elle est imperméable. Je montre qu’il existe une rétroaction positive entre circulation de fluides et éclogitisation : un apport de fluides provoque l’éclogitisation, et cette réaction densifie la roche, ce qui génère de la porosité, favorisant ainsi la circulation de fluides. Un front hydro-réactif peut donc se propager rapidement dans la granulite imperméable et causer son éclogitisation. Le couplage fluides-réaction est donc un processus plausible d’évolution des zones éclogitiques de Holsnøy. Afin de réunir les résultats des deux premiers articles, j’ai pour finir complété le modèle précédent afin de prendre en compte la déformation ainsi que les effets rhéologiques de l’éclogitisation. Cette étude montre que la déformation dans un milieu rhéologiquement hétérogène peut générer des variations locales de pression de plusieurs kbar. Celles-ci peuvent expliquer la juxtaposition de roches de faciès métamorphiques différents au même niveau crustal. La circulations de fluides peut toutefois affecter ces variations de pression.

Eclogitisation is an emblematic process of continental subduction zones. It involves transformation of the mineralogical assemblage, changes in rheology and permeability, fluid-rock interactions, and deformation that is either viscous or brittle, with the potential to cause earthquakes. The study of the coupling between metamorphic reactions, deformation and fluids is therefore crucial to understand the nature and rheology of the lower continental crust when it reaches high-pressure conditions. The aim of this thesis is to study this coupling, focusing on a specific field case: the eclogitisation of granulite on Holsnøy Island, a now-exhumed part of the ancient lower crust of the Caledonian mountain range, in the Bergen Arcs in western Norway. Observation of field relations shows that deformation and fluid circulation are the forces that drive eclogitisation of the lower crust. However, the temporal evolution and pressure conditions of eclogitic zones are still enigmatic. During this thesis, I therefore set out to understand how feedbacks between metamorphic transformation, fluid transport and deformation can explain the spatio-temporal evolution of the Holsnøy eclogite zones. This thesis is structured into three main chapters that correspond to two previously published scientific articles, and a third in preparation. As a first step, I carried out a detailed petrological study of an eclogite shear zone at Holsnøy, in order to determine the mineralogical and textural changes during the successive metamorphic reactions that transform granulite into eclogite. These observations reveal that the first reactions weaken the granulite, and the last ones partially restore the strength of the rock. I developed a numerical model that illustrates that this transient weakening mechanism, associated with fluid circulation, contributes to the widening of the shear zones over time. Secondly, I developed a numerical model to study how episodic high pressure pulses can propagate eclogitisation into the granulite, even if it is impermeable. I show that there is a positive feedback between fluid circulation and eclogitisation: a fluid influx causes eclogitisation, which increases the rock density, generating porosity and thus promoting fluid flow. A hydroreactive front can propagate rapidly into the impermeable granulite and cause its eclogitisation. Therefore, fluid-reaction coupling is a plausible process for the evolution of Holsnøy eclogite zones. In order to bring together the results of the first two articles, I finally extended the previous model to include deformation and the rheological effects of eclogitisation. This study shows that deformation in a rheologically heterogeneous medium can generate local pressure variations of several kbar, which can explain the juxtaposition of rocks with different metamorphic facies at the same crustal level. Fluid circulation, however, may affect these pressure variations.