impact de l'héritage thermique, compositionnel et structurel sur la rupture continentale post-orogénique précoce en mer de Chine méridionale

impact of thermal,compositional and structural inheritance on early post orogenic continental break up in the South China Sea

• Auteur / Autrice : Fan Zhou
• Direction : Matthias Delescluse, Manuel Pubellier, Laetitia Le Pourhiet
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géologie
• Date : Inscription en doctorat le 03/10/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Laboratoire de géologie

Mots clés

Mots clés libres

Complexes de noyaux métamorphiques

Rupture continentale

Contexte post-orogénique précoce

Modélisation thermo-mécanique

Metamorphic core complexes

Continental break-up

Early post orogenic context

Thermomechanical modeling

Résumé

Forages en mer de Chine méridionale (SCS) dans le cadre du Programme international de découverte de l'océan (IODP), et l'analyse de données sismiques de réflexion et de réfraction à haute résolution, En fournissant des données d'observation permettant d'établir des déformations finies et des relevés stratigraphiques et magmatiques connexes qui peuvent déterminer « quand », « où » et « comment » les ruptures continentales se produisent ou échouent, le SCS est l'un des rares exemples actuels où des ensembles de données peuvent être utilisés pour tester les processus de rift, ce qui en fait l'un des meilleurs laboratoires pour tester et étalonner les méthodes de modélisation numérique. Les derniers résultats du SCS montrent que: Les modèles conceptuels numériques et physiques de formation passive des marges et de fragmentation continentale développés pour les systèmes de fragmentation continentale de type atlantique riches en magma et pauvres en magma ne peuvent pas capturer/interpréter les observations du SCS, En particulier, elles n'expliquent pas la capacité des sédiments développés au-dessus de complexes de noyaux métamorphiques bien imagés tels que la dépression de Liwan (Zhang et al., 2019, 201), ni la présence d'une croûte continentale de transition dépourvue de fonte forée aux sites IODP 184, 349 et 367 avant le début de l'expansion océanique à l'état stationnaire, marquée par une croûte océanique de type Penrose. Site 368 de l'IODP en mer de Chine méridionale. Une partie de l'explication de cet échec réside dans le contexte géodynamique spécifique de la division continentale de la mer de Chine méridionale. Bien que la marge de type atlantique se forme généralement longtemps après l'effondrement du mouvement orogénique et soit loin de la zone de subduction active, la mer de Chine méridionale s'est formée tôt après le mouvement orogénique et était entourée de la zone de subduction. Semblable à certains bassins de la Méditerranée ou des Caraïbes. Un modèle conceptuel basé sur la physique de l'effondrement post-orogénique a été développé. Ces modèles incluent généralement la formation de complexes nucléaires métamorphiques continentaux. Cependant, aucune de ces simulations n'a été repoussée au stade de la division continentale, et presque aucune n'a pris en compte l'érosion et la sédimentation, et n'a pas pris en compte la vitesse de sédimentation prévue par ces simulations pendant l'extension continue. La plupart des études antérieures se sont concentrées sur l'évolution tectonique-métamorphique des unités crustales profondes excavées le long de la structure de détachement de la vaste vallée du rift continental, Comme dans les bassins et les montagnes de la Méditerranée (voir Labrousse et al., 2015, Le Pourhiet) ou dans les systèmes orogéniques excavés/surélevés et exposés (par exemple Caledonides, Wiest et al., 2019 ou Northern Cordillera USA, voir Teyssier et Whitney, 2002, 2002), où les sédiments tectoniques synchrones sont peu ou même préservés, Sans lien avec l'évolution de l'extension, de nouveaux modèles conceptuels basés sur la physique sont nécessaires pour vraiment comprendre la dynamique des failles continentales précoces post-orogéniques, telles que les SCS, qui peuvent être plus courantes que ce qui a été supposé auparavant (comme l'évolution précoce des failles le long des frontières panpaléocontinentales). Les images sismiques de haute qualité du SCS permettent non seulement de cartographier des structures profondes très similaires aux modèles conceptuels matures de roches excavées, mais aussi de fournir des dépôts et des taux grâce à l'étalonnage du forage. On sait que l'occurrence de complexes de noyaux métamorphiques est limitée aux provinces géologiques d'une épaisseur de 15 km où la viscosité de la croûte inférieure est inférieure à 1e19 pa.s (Block et Royden, 1990). Mais cette valeur n'est qu'une limite supérieure. Réduire les valeurs de viscosité dans les simulations n'affectera pas vraiment la géométrie/structure finale de la croûte terrestre, mais seulement le taux de viscosité inférieur à 1e19 pa.s sur une épaisseur de 15 km, en utilisant les unités sédimentaires de la dépression de Liwan et du bassin nord-ouest de la mer de Chine méridionale comme enregistreurs magnétiques précis, combinés à de nouvelles simulations numériques, Nous avons donc une occasion unique de calibrer avec précision la viscosité de la croûte terrestre inférieure au début du rift continental. Dans un deuxième temps, une fois que la croûte inférieure des régions intra-arc et pré-arc aura été soigneusement calibrée, nous réaliserons des simulations numériques à long terme visant à caractériser le temps et le rôle de la fusion de la croûte et du manteau lors de la rupture continentale lors de l'affaissement post-orogénique. La simulation sera calibrée en comparant les cartes de Wheeler existantes des enregistrements sédimentaires de conversion mer-terre avec des cartes composites produites comme contre-produits de simulation numérique. Enfin, le SCS fournit plusieurs exemples de bassins en forme de V, dont certains se sont propagés et d'autres ont échoué. Plusieurs hypothèses ont été avancées pour expliquer la variation des taux d'échec et de propagation dans le temps, mais aucune n'a été soigneusement calibrée avec des données (Le Pourhiet et al., 2018, Savva et al., 2014). Sur la base de la connaissance de modèles bidimensionnels et de données de pointe de différents communicateurs (échecs et succès), nous combinerons éventuellement des simulations tridimensionnelles pour évaluer les conditions aux limites et le rôle respectif de la génétique de la croûte et du manteau dans le succès ou l'échec des différents communicateurs.

Drilling in the frame of the International Ocean Discovery Program(IODP)in the South China Sea(SCS)together with the analysis of high-resolution seismic reflection and refraction seismic data provide observational evidence to established the finite deformation and related stratigraphic and magmatic record which can constrain“when”,“where”and“how”continental break-up occurred or failed.Thus,the SCS is at present one of the rare examples where rift processes can be tested by data sets,which makes it one of the best laboratories to test and calibrate numerical modelling approaches. The latest results from the SCS show that numerical and physics based conceptual models of passive margin formation and continental break-up developed for magma rich and magma poor Atlantic-type continental break-up systems cannot capture/explain the observations made in the SCS.In particular,they do not explain the accommodation of sediments developed above well imaged metamorphic core complexes like the Liwan Sag(Zhang et al.,2019,2021)nor the presence of transitional continental crust starved with melt drilled at IODP Sites 184,349 and 367 before the onset of steady state seafloor spreading that is marked by Penrose type oceanic crust drilled at IODP Site 368 in the SCS.Part of the explanation for this failure lie on the specific geodynamic context of the continental break-up in the SCS.While Atlantic type margins typically form long time after orogenic collapse far from active subduction zone,the SCS forms in an early post orogenic setting surrounded by subduction zones,similar to some basins in the Mediterranean or Caribbean. Numerical models have been developed to proposed physics-based conceptual models of post orogenic collapse.These models often include the formation of continental metamorphic core complexes.Yet,none of these simulations have been pushed to the stage of continental break-up,almost none of them account for erosion and sedimentation,and no attention has been paid to the rate of subsidence,predicted by these simulations during ongoing extension.Most of these past studies focused on the tectono-metamorphic evolution of deep crustal units exhumed along detachment structures of failed wide continental rifts such as the Basin and Ranges,the Mediterranean area(see Labrousse et al.2015 for review,Le Pourhiet et al.2012 for 3D simulations).or in exhumed/uplifed and exposed Orogenic systems(e.g.Caledonides,Wiest et al 2019 or Northern Cordillera USA see Teyssier and Whitney 2002 for review)where syn-tectonic sediments are either rarely preserved or if preserved,were not linked to the extensional evolution New physics-based conceptual models are needed to really understand the dynamics of continental break-up in the early post orogenic context such as the SCS which may be more common than previously assumed(e.g.early evolution of the breakup along the borders of Pangea). High quality seismic images from the SCS,do not only allow to map deep structures that are very similar to well established conceptual models developed for exhumed rocks,but they also give access to sedimentation and rates thanks to drilling calibration.The occurrence of metamorphic core complex is known to be limited to geological provinces with a lower crust which viscosity is lower than 1e19 Pa.s on a thickness of 15 km(Block and royden,1990).But this value is only an upper bound.Lowering the value of viscosity in the simulation does not really affect the final geometry/structures of the crust,only the rate at which the structures might form but these rates are not so well calibrated by thermo-chronology(e.g.Huet al.2011).Using the sedimentary units from the Liwan Sag and the NW SCS basin as a precise tape recorder,together with new numerical simulations,we therefore have a unique opportunity to calibrate precisely the viscosity of the lower crust at the onset of continental rifting. In a second step,once the lower crust has been carefully calibrated both in the arc and in the forearc region,we will run longer term numerical simulations aiming at characterizing the timing and the role of crustal and mantle melt during continental break-up in post orogenic setting.The simulations will be calibrated by comparing existing Wheeler diagrams of the sedimentary record in the ocean-continent transition with synthetic ones produced as a back product of the numerical simulations. Finally,the SCS provides several example of V-shape oceanic basins,some that propagated and some that failed to do so.Several hypotheses have been proposed to explain the failure and the variation in propagation rates with time but none of them have carefully been calibrated to data(Le Pourhiet et al.2018,Savva et al.2014).Building on the knowledge from 2D modelling and on the data available at the tip of the different propagators(failed and succeeded ones),we will finally put together 3D simulations to evaluate the respective role of boundary conditions and inheritance from the crust and the mantle in the success or failure of the different propagators.