Mécanismes d'éclogitisation et conséquences mécaniques pour l'exhumation des roches métamorphiques de haute pression

jury: Christian Chopin (président) Denis Gapais (rapporteur) Hermann van Roermund (rapporteur) Haakon Austrheim (examinateur) Giorgio Ranalli (examinateur) Yves Leroy (invité) Bruno Goffé (invité)The granulite-facies anorthositic unit on northwestern Holsnøy, within the Bergen Arcs, Norway, was buried and partially eclogitized at depth during the caledonian orogenesis. The protolith and the high-pressure rocks and structures were remarkably preserved throughout exhumation, enabling us to study in detail eclogitization processes and their consequences for exhumation and deep crustal movements. Inherited garnets, although mostly preserved through eclogite-facies transformations, were fractured and reequilibrated by diffusion from their rims. Back-scattered electron (BSE) and electron microprobe analysis of the different garnet generations involved highlights the very slow diffusion of Ca compared to Fe and Mg, impeding the reequilibration of inherited garnets in grossular content during the eclogite-facies event. The systematic distribution of the orientations of the fractures cutting through inherited garnets shows that fracturing results from the volume decrease associated with eclogite facies reactions. Small-scale propagation of eclogitized domains involves combination of fluid diffusion, metamorphic reactions and mineral fracturing. Eclogite-facies deformation is very consistent at the scale of the studied zone (5*5 km), and results therefore from the action of large-scale tectonic stresses, rather than local stresses related to metamorphic reactions. When the unit is restored to its original position at depth within the caledonian slab, the top-to-the-east sense of shear is interpreted as resulting from the the thrusting of kilometer-scale crustal slivers. The eclogite-facies shear zones, which enable the mechanical decoupling between the light crustal slivers and the dense underlying mantle, play therefore a crucial role in the initiation of exhumation. The relevance of such a conceptual model is assessed through the unidimensional channel-flow model. Within this model, all material properties are integrated into a single adimensional parameter, the exhumation number, which describes the competition between reactions-related density increase (impeding exhumation) and viscosity decrease (promoting exhumation). The evolution of the exhumation number through the partially eclogitized domain controls the circulation over the entire channel, and the burial of high-exhumation-number crust leads to the formation of a backward flow starting in the partially eclogitized zone. We show that exhumation rates of the order of the plate convergence velocities are only reached in the transitional regime when the nature of the buried crust drastically change.La Nappe de Lindås, au sein de l'Arc de Bergen, Norvège, est un massif anorthositique enfoui et partiellement éclogitisé en profondeur au cours de l'orogénèse calédonienne, qui fut relativement protégé de la rétromorphose pendant son retour vers la surface. L'étude de ces roches du faciès éclogitique nous permet donc de mieux comprendre le détail des processus d'éclogitisation et ses conséquences en terme d'exhumation et de circulation crustale dans les zones de collision. Les grenats granulitiques, bien que relativement résistants aux réactions métamorphiques, subissent lors de l'éclogitisation une fracturation intense et une rééquilibration partielle par diffusion à partir de leur frontière. L'observation au MEB (BSE) des différentes générations de grenat associées à l'épisode éclogitique, et l'estimation des compositions minérales d'équilibre par des méthodes thermobarométriques multi-équilibre, permet de mettre en lumière la vitesse de diffusion beaucoup plus lente du Ca par rapport aux cations métalliques dans le grenat granulitique lors de sa rééquilibration dans le faciès éclogitique. La distribution des orientations des fractures qui parcourent les grenats granulitiques hérités, montre que leur formation est la conséquence directe de la diminution de volume associée aux réactions métamorphiques. La propagation à petite échelle des domaines éclogitisés ne procède donc pas simplement par diffusion du fluide, mais par un processus complexe couplant diffusion, réactions métamorphiques et fracturation des minéraux granulitiques. La caractérisation de la cinématique de la déformation dans le faciès éclogitique de l'île d'Holsnøy, au sein de la Nappe de Lindås montre sa grande cohérence à l'échelle de la zone d'étude (5*5 km), reflétant l'action de forces aux limites, plutôt que de contraintes locales liées aux réactions métamorphiques. Le cisaillement en moyenne vers l'Est, géométriquement restauré dans le contexte de la subduction calédonienne, est interprété comme reflétant le découplage d'unités crustales du panneau plongeant, qui commencent ainsi leur retour vers la surface. La validité d'un tel modèle, où l'éclogitisation permet l'initiation de l'exhumation, est analysée dans le cadre du modèle analytique du chenal de subduction. L'éclogitisation, qui n'est ni instantanée ni spatialement homogène, modifie les propriétés de la croûte, notamment sa densité et sa viscosité. Alors que l'augmentation de densité réduit sa flottabilité, son adoucissement mécanique lui permet de se découpler du manteau lithosphérique qui la tire vers la profondeur. La compétition entre ces deux phénomènes, variable suivant la progression des transformations métamorphiques, est intégrée dans un unique paramètre adimensionnel, le nombre d'exhumation, dont la valeur décrit la capacité de la croûte à être exhumée. La subduction d'une croûte à fort nombre d'exhumation entraîne la création dans le canal de subduction d'un flux retour à partir du domaine partiellement éclogitisé. L'analyse des conditions de ce flux retour montre entre autres que les vitesses d'exhumation de l'ordre des vitesses de convergence des plaques lithosphériques ne sont possibles que pendant le régime transitoire entre l'enfouissement de croûte à faible et fort nombre d'exhumation. Ce travail, qui montre l'importance des réactions d'éclogitisation pour l'exhumation et plus généralement pour la dynamique des zones de collision, souligne en conséquence la nécessité de décrire avec précision les mécanismes micro- et macroscopiques qui permettent la progression et la propagation de l'éclogitisation