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T2. PROBLEMATIQUES: formation de la croute océanique, croissance crustale dans les zones de subduction, systemes orogéniques, magmatisme intraplaque

La compréhension intégrée de la genèse, de l'évolution, et du transfert des magmas depuis le manteau jusqu'à la surface, et de l’impact de ces processus dans les bilans globaux de transferts de matière et de chaleur constitue un autre centre d’intérêtcommun aux membres de TIL. Les objets  étudiés sont très éclectiques, incluant les dorsales océaniques, les arcs, les points chauds, les racines des orogènes, voire, à titre de comparaison, certains corps planétaires comme Mars et Vesta (projets en coopération avec l ’IRAP).

La stratégie est de mener en parallèle l’étude d’exemples dans des contextes actifs dont le contexte géodynamique est connu et celle d’objets géologiques anciens dont les parties profondes sont mieux exposées.

L’étude des environnements actifs nécessite des moyens lourds du fait de leur difficulté d’accès et ne peut se faire qu’au travers de notre participation à de grands programmes et/ou chantiers (IODP, campagnes océanographiques, missions dans les Terres Australes, ...). L’étude des objets géologiques fossiles est plus aisée et moins coûteuse. Quatre chantiers géologiques sont naturellement privilégiés dans cette thématique et sont détaillés ci-dessous: la formation de croûte océanique, la croissance crustale dans les zones de subduction,  les systèmes orogéniquesle et le magmatisme intraplaque.

2.1 Formation de la croûte océanique.

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typical structure of magmatic migration observed in an ophiolite from Oman. The reddish rock is a residual peridotite and the clear minerals are plagioclases and pyroxenes that have cristallised out of the magma that percolated there.

Une cible importante de nos recherches est l’interface croûte/manteau (« Moho ») dans les limites de plaques divergentes (rides océaniques et ophiolites). Nous (eg.  G. Ceuleneer, collaborations Equipe T2) avons participé à une expédition de forage IODP ayant permis d’échantillonner la base de croûte au niveau de la dorsale Est Pacifique (EPR). Ces données permettent de vérifier dans quelle mesure l’Oman est bien un analogue de dorsale rapide.

Le Moho dans l'ophiolite d'Oman inclut les péridotites mantelliques et les figures de migration magmatique qu’elles renferment, la zone de transition dunitique et les cumulats lités sus-jacents, témoins de la cristallisation en base de chambre magmatique. Il s’agit d’une interface parmi les plus « réactives » de la planète, dont nous sommes en train de déchiffrer l’anatomie et la physiologie.

 Les études en Oman sont indispensables pour replacer la vision très parcellaire offerte par de rates puits de forage dans un contexte pétro-structural plus large. Un projet ICDP (International Continental Drilling Program dont un des membre de l’équipe est Co-PI), permet d'aborder la question des différences d’échelle d’observation et d’intégration entre les études classiques de terrain et l’exploration de la lithosphère océanique par forage.http://www-icdp.icdp-online.org/front_content.php?idcat=1630

 

Nous sommes également partie d’un projet IODP (expédition 360) qui de décembre 2015 à janvier 2016 explorera le Moho au niveau d’une dorsale ultra lente.

2.2 Croissance crustale au niveau des zones de subductions.

Les arcs volcaniques actifs et fossiles sont des zones de production magmatique intense et leur accrétion conduit à la croissance des continents. Les transferts de magmas entre le manteau supérieur et la croûte inférieure des arcs induisent la formation de pyroxénites et la fusion partielle des roches mafiques pré-existantes au niveau du Moho. Cette interface est donc à la fois le siège de flux magmatiques entrants dans la croûte et de délamination de produits magmatiques et résiduels crustaux vers le manteau. La compréhension de cette interface sous les arcs est cruciale pour le bilan chimique de formation des croûtes et requiert la compréhension de la croissance des arcs au cours des temps géologiques. Les apports magmatiques dans les zones de subductions seront étudiés au travers des arcs cénozoïques des Andes et d'Izu-Bonin mais également via les arcs fossiles dans les cordillères ouest-américains, et dans les orogènes panafricaines et éburnéennes d'Afrique de l'Ouest. Ces études contribuent la compréhension de l'évolution des zones de subductions autour de la période charnière qu'est le Protérozoïque, en lien avec les thématiques développées dans le sous-thème " Systèmes orogéniques".

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Ce volet s'interesse à la reconstitution du régime thermique des subductions pré-orogéniques via des approches de pétrologie métamorphique et sur l’évaluation des transferts d’éléments au niveau du slab lors du métamorphisme de haute pression. On  se concentre sur les transferts magmatiques entre le manteau et la croûte inférieure sous les arcs et leurs effets thermiques et physiques sur la stabilité des racines d’arcs (métamorphisme de haute température, déshydratation, changements de lithologie, de propriétés sismiques et de densité).

Ainsi, au travers d’approches intégrées tectonique-métamorphisme-magmatisme,  J .Berger s’intéresse à la durée de vie des zones des subductions pré-orogéniques, à la durée et au mode d’accrétion des arcs océaniques.

On s'interesse également à d'autres régions subissant du magmatisme intraplaque, au Cénozoïque comme au Maghreb et dans le massif central, mais aussi sur des régions ayant enregistré un métamorphisme haute température archéen comme dans le craton ouest africain.

2.3 Systèmes orogéniques

Cet axe unit des expertises complémentaires permettant d’aborder  la question de la dynamique de la lithosphère en contexte orogénique à l’échelle des temps géologiques (dizaine de millions d'années). Ses compétences allient l’analyse structurale et la tectonique, la pétrologie du métamorphisme et la géochronologie haute température, la thermique et la mécanique de la lithosphère et la modélisation numérique, afin de caractériser les modes d'exhumation des racines de chaînes de montagnes. Notre méthodologie pluri-disiplinaire nous permet de quantifier les gradients thermiques, leurs évolutions et leurs relations avec le comportement de la croûte au cours du cycle orogénique.

Au cours de ce quinquennal nous souhaitons aborder plus particulièrement des questions comme

  1. l’impact des sources de chaleur externe (eg. mantellique) et interne (eg. radiogénique) de la croûte sur sa rhéologie et l’évolution orogénique depuis l’épaississement jusqu’à l’effondrement, 
  2. la contribution relative des forces aux limites ( vitesses des plaques tectoniques et processus d'érosion/sédimentation), et des forces de volume internes induites par les variations latérales d’épaisseur et les changements de densité lors de la fusion partielle, dans le développement de fluage latéral, chennalisé, laminaire ou encore diapirique de la croûte.

Des cibles phanérozoïques et protérozoïques sont comparées afin d’évaluer l’impact du refroidissement séculaire de la Terre sur le style tectonique au cours des temps géologiques.

2.4. Domaines intraplaques et magmatisme de point chaud.

 2.4.1 Xénolites et métasomatisme

Ceux-ci sont examinés au travers des xénolites crustaux et mantelliques récoltés dans les basaltes et via l'étude du magmatisme de point chaud. Le manteau supérieur sous ces points chauds est le siège de production de magma par fusion partielle et de fertilisation par réaction métasomatique avec des magmas. Ces mêmes magmas participent à la construction et la maturation de la croûte inférieure et au développement des parties superficielles des croûtes.

Des études seront poursuivies au niveau des îles océaniques de Kerguelen (thèse de Léandre Ponthus, 2012-2015), des domaines cratoniques et des zones continentales stables pour lier l'évolution du manteau supérieur dans le temps à l'apport magmatique dans les croûtes en dehors des limites de plaques tectoniques.

2.4.2 Aspects thermo-mécaniques de l'interaction plume-lithosphère

Nous cherchons notamment à comprendre comment les fluides magmatiques présents en base de lithosphère et soumis aux contraintes inhérentes à la collision plume-lithosphère, vont migrer vers la surface selon des trajectoires non-rectilignes bien specifiques, et sur quelles échelles de temps.

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- Nous expliquons l'observation récente grâce aux avancées de la tomographie sismique, d'un décallage d'environ 150 km entre l'axe des plumes mantelliques sous Hawaii et  la Réunion, et l'expression du volcanisme en surface. Par modélisation numérique nous montrons que la charge verticale vers le haut exercée par un plume induit une flexure visco-élastique de la plaque océanique qui le surplombe. Nous corrélons la distance caractéristique de flexure et le temps caractéristique de relaxation visco-élastique avec les données cinématiques, tomographiques et rhéologiques de ces 2 régions (Gerbault et al., EPSL,2017).

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- Nous étudions également l'interaction plume-lithosphère en contextes continentaux,

tels qu'à Yellowstone (Rigo et al., G.J.I, 2015), et en Afrique de l'Ouest (travaux en cours).

   (Rigo et al., 2015).

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