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1 Université de Liège Géodynamique des socles magmatiques et métamorphiques Syl

1 Université de Liège Géodynamique des socles magmatiques et métamorphiques Syllabus du cours de premier Master en Sciences Géologiques (15h) Jean-Paul Liégeois Chef de Section au Musée Royal d'Afrique Centrale Maître de Conférence à l'ULg Année 2010-2011 2 Table des matières: Table des matières: Première partie ______________________________________________ 2 Définition et objectifs de ce cours ________________________________________________ 4 La géodynamique à l'échelle de la Terre __________________________________________ 5 La subdivision dans le plan vertical du globe terrestre. La notion de craton_______________ 5 Les variations du degré géothermique_________________________________________________________ 5 La transmission de la chaleur _______________________________________________________________ 6 Les variations du géotherme ________________________________________________________________ 6 Structure de la lithosphère __________________________________________________________________ 7 La lithosphère continentale _________________________________________________________________ 9 Les subdivisions dans le plan vertical du globe: vocabulaire _______________________________________ 9 Rigidité variable de la lithosphère continentale; la notion de craton_________________________________ 10 La subdivision dans le plan horizontal de la Terre. La notion de bloc ("terrane") _________ 13 Rappel: les plaques ______________________________________________________________________ 13 Les failles transformantes _________________________________________________________________ 13 Les blocs ("terranes"). ____________________________________________________________________ 14 Quelques exemples de blocs de la cordillère nord-américaine ___________________________________ 16 Quelques exemples de blocs de la cordillère nord-américaine ___________________________________ 17 Le bloc de Wrangellia: déplacement et découpage __________________________________________ 17 Le bloc de Chulitna: petit mais tout à fait original __________________________________________ 17 Le bloc de Yakutat: un exemple en cours de mobilité________________________________________ 17 Caractéristiques et origine des blocs nord-américains__________________________________________ 18 L'orogenèse laramienne (80-45 Ma) _____________________________________________________ 19 L'exemple de la collision Inde–Asie _______________________________________________________ 20 L'interpénétration des deux subdivisions dans les orogenèses. Les notions de délamination lithosphérique et de cratonisation 22 Contraste rhéologique entre marge passive et marge active _______________________________________ 22 Le processus collisionnel__________________________________________________________________ 22 La période des grands charriages__________________________________________________________ 22 La délamination lithosphérique ___________________________________________________________ 23 Modèle global d'une orogenèse _____________________________________________________________ 24 La décratonisation _____________________________________________________________________ 26 La période post-collisionnelle ______________________________________________________________ 28 Extension et rhéologie de la lithosphère: rifts et dômes migmatitiques_____________________________ 30 Conséquences pour les socles magmatiques et métamorphiques __________________________ 32 Le métamorphisme dans son cadre géodynamique _________________________________ 33 Introduction _____________________________________________________________________ 33 Préambule: les Alpes: structure superficielle en nappes et structures profondes._____________ 34 Les grands types de métamorphismes et leur portée géodynamique _______________________ 37 Le métamorphisme franciscain _____________________________________________________________ 37 Caractéristiques minéralogiques: des protolithes souvent océaniques______________________________ 37 Un environnement de subduction _________________________________________________________ 38 Une remontée tectonique rapide __________________________________________________________ 38 Présence également de protolithes continentaux de ultra haute pression____________________________ 39 Un exemple: les Alpes occidentales _______________________________________________________ 39 Le métamorphisme dalradien (ou barrovien)________________________________________________ 41 Un gradient géothermique continental à l'équilibre____________________________________________ 41 Un métamorphisme de collision et de nappes ________________________________________________ 41 Présence fréquente d'unités franciscaines reliques ____________________________________________ 42 Un exemple: les séries du lac Cornu dans les Aiguilles Rouges (Alpes occidentales) _______________ 42 Le métamorphisme Abukuma ______________________________________________________________ 43 3 Un flux thermique élevé ________________________________________________________________ 43 Les zones de transfert magmatique en zone de subduction ______________________________________ 43 Le concept des chaînes appariées _______________________________________________________ 45 Les zones à lithosphère amincie __________________________________________________________ 45 Les couloirs décrochants ("shear-zones") _____________________________________________________ 45 Premier exemple: la faille de San Andreas (Californie) et la faille du Jourdain (Proche-Orient): décrochements actuels en transtension _____________________________________________________ 45 Deuxième exemple: le décrochement du Fleuve Rouge en Asie: un décrochement actuel en transpression 47 Les dômes gneissiques__________________________________________________________________ 49 Recuit final et granulites tardives de moyenne pression ________________________________________ 53 A l'Archéen: un flux thermique plus élevé mais pas dans les continents____________________________ 53 Le magmatisme dans son cadre géodynamique ____________________________________ 55 Classification des séries magmatiques granitoïdes ______________________________________ 56 Rappel: la classification modale ____________________________________________________________ 56 La classification de Peacock _______________________________________________________________ 58 La classification A/CNK __________________________________________________________________ 59 La classification S-I-M-A _________________________________________________________________ 61 Structure et mise en place des granitoïdes_____________________________________________ 65 Structure des phases plutoniques____________________________________________________________ 65 Mise en place des plutons _________________________________________________________________ 67 Une mise en place superficielle: les complexes annulaires. _____________________________________ 69 Le magmatisme en fonction de l'environnement géodynamique_______________________ 74 La problématique des panaches mantelliques (mantle plumes). ____________________________________ 74 Les rides médio-océaniques. _______________________________________________________________ 82 Les îles océaniques ______________________________________________________________________ 86 Le magmatisme continental intraplaque alcalin. ________________________________________________ 90 Les basaltes des plateaux continentaux (trapps). ________________________________________________ 97 Le magmatisme d'arc insulaire. _____________________________________________________________ 99 Le magmatisme d'arc continental. __________________________________________________________ 102 Références ________________________________________________________________ 107 4 Définition et objectifs de ce cours L'objectif de ce cours est d'étudier et d'appliquer les notions géodynamiques utiles à la compréhension des terrains magmatiques, en particulier plutoniques, et métamorphiques. Bien entendu ces notions peuvent être appli- quées également à d'autres domaines. Le regroupement des roches plutoniques et métamorphiques est justifié pour deux rai- sons principales. 1) Aussi bien les roches plu- toniques que métamorphiques résultent d'équilibres minéralogiques et chimiques à as- sez hautes température et pression et sont souvent formées par des minéraux communs. 2) Ces deux types de roches sont associés dans les socles continentaux (les "socles gra- nito-gneissiques") formés lors des orogenèses, rendant leur étude combinée nécessaire. Les roches volcaniques seront également considé- rées sans pour cela entrer dans les conditions des phénomènes volcaniques proprement dits (mécanismes d'éruption, émission de vapeurs et de gaz,…), qui, comme les processus sédi- mentaires, concernent d'autres lois physico- chimiques. Les roches sédimentaires et celles issues du métamorphisme de contact seront donc ra- rement considérées dans ce cours. En effet, si le métamorphisme de contact obéit aux mê- mes lois que le métamorphisme régional, il concerne des zones beaucoup plus réduites, sa cause étant locale; cependant, les intégrer dans les modèles d'évolution globale est es- sentiel. Les terrains magmatiques et métamor- phiques constituent l'enregistrement du cœur des orogènes. Leur étude dans la période ac- tuelle permet d'envisager une vision instanta- née et précise des grands processus orogéni- ques à l'œuvre. Celle des terrains anciens fournit l'enregistrement complet, intégré dans le temps, de ces processus. Ces deux appro- ches se nourrissent l'une l'autre pour tâcher de comprendre l'évolution de notre planète, exac- tement comme l'actualité et l'histoire s'épau- lent l'une l'autre pour essayer de comprendre l'évolution de l'humanité. Ce cours a ainsi comme but idéalisé la compréhension des orogènes, anciens comme actuels. Ceci requiert d'intégrer à la fois les données de la pétrologie magmatique et mé- tamorphique, de la géochimie, de la géologie structurale, de la géophysique et de la tectoni- que des plaques ainsi que de la sédimentolo- gie ou de la géologie appliquée, sans être ex- haustif. Ce qui explique le terme général géo- dynamique et sous-titre des socles magmati- ques et métamorphiques utilisé pour le titre de ce cours. Appliquer la géodynamique à la géologie des socles magmatiques et métamorphiques requiert des observations à toutes les échelles, depuis l'élément chimique et le cristal jusqu'à l'échelle continentale. On peut dire que la compréhension complète de l'apparition d'un minéral à un endroit et un moment donné, re- quiert la connaissance de la structure du continent concerné et des contraintes qu'il su- bissait à ce moment. Quels que soit les sujets d'études en géodynamique, des allers et re- tours entre ces deux extrêmes sont nécessai- res. C'est ce que nous verrons tout au long de ce cours. 5 La géodynamique à l'échelle de la Terre La subdivision dans le plan vertical du globe terrestre. La notion de craton La pression augmente de manière qua- siment linéaire avec la profondeur, ne dé- pendant que de l'épaisseur et de la densité des roches surincombantes. Par contre, l'augmentation de la température avec la profondeur est variable d'un point à l'autre du globe (voir cours de 1ère licence). La compréhension de la variation du degré géothermique est essentielle en géologie. Les variations du degré géothermique Elles sont dues à: - la variation du flux thermique qui corres- pond à la chaleur provenant du manteau. Il correspond à la quantité de chaleur traversant une surface donnée en un temps donné et s'exprime en mW/m2. - la variation de la production de chaleur locale (PCL), qui correspond à la cha- leur produite par la radioactivité de cer- tains isotopes (essentiellement 238U, 235U, 232Th, 40K). Elle s'exprime en mW/m3. Pour une roche donnée, elle peut se calculer approximativement comme suit: PCL= ρ*10-5 (9.7 [U] +2.7 [Th] + 3.6 [K]) W/m3 [F1] Avec: ρ= masse volumique, [ ]= concentrations (U, Th en ppm, K en %). La PCL d'un granite est de l'ordre de 2.6 mW/m3, 40 fois moins pour un basalte tholéiitique et 200 fois moins pour une pé- ridotite. La PCL n'est donc significative que dans les continents. Il est possible d'établir la courbe du géotherme en fonction de la profondeur. Elle se calcule comme suit: T= To + (qo/K)*h – (Ao/2K) * h2 [F2] avec: To= température à la surface, qo= flux de chaleur à la surface, Ao= production de chaleur locale à la surface, K= conductivité thermique (en W.m-1.°K-1), h= profondeur. Notons qu'une troisième source de production de chaleur est origine tectoni- que. Le plus souvent cependant elle peut être négligée. En effet, la déformation des roches produit de la chaleur, proportionnel- lement à τ, le cisaillement. Cette production de chaleur "tectonique" sera donc la plus importante dans les couloirs cisaillants (shear zones). Il existe d'ailleurs des roches de très haute température associées à des accidents majeurs (les pseudo-tachylites, roche partiellement vitreuse), mais très ra- res et toujours en très petit volume. Il s’agit en effet d’un phénomène au caractère "auto-destructif": la production de chaleur par friction dans un cisaillement uploads/Geographie/ cours-geodynamique-2010-2011.pdf