Thèse soutenue par Lorenzo Candioti, le 25 mars 2021, Institut des sciences de la Terre (ISTE)
La formation d’orogènes, comme les Alpes occidentales et l’Himalaya, est une manifestation impressionnante de la tectonique des plaques. Les processus tectoniques, tels que l’initiation de la subduction, conduisant à la formation de chaînes de collision, s’inscrivent dans des cycles géodynamiques à long terme ($>160 \si{\mega\année}) impliquant souvent des phases d’extension, de refroidissement sans déformation des plaques et de convergence. Les observations des ceintures orogéniques indiquent l’enfouissement et l’exhumation de roches crustales continentales et océaniques.
En fait, des roches de (ultra)haute pression (UHP) ont été découvertes pour la première fois dans les Alpes occidentales en 1984 et ont, depuis, été observées aux limites des plaques convergentes dans le monde entier. La quantification des mécanismes physiques conduisant à la formation et à l’exhumation des unités (U)HP fournit des informations cruciales sur les processus tectoniques formant des chaînes de montagnes.
De nombreux aspects géodynamiques liés aux orogenèses restent méconnus, notamment :
- les héritages structurels et thermiques ayant un impact sur les processus liés à la subduction,
- l’ampleur et l’importance relative de la flottabilité et des forces de cisaillement entraînant la formation de ceintures orogéniques,
- les mécanismes, compatibles avec les données naturelles, expliquant la formation et l’exhumation des roches (U)HP.
Cette thèse vise à jeter un nouvel éclairage sur la formation des ceintures orogéniques intégrées dans les cycles géodynamiques à long terme de déformation de la lithosphère. À cette fin, des modèles numériques en deux dimensions et à haute résolution en pétrologie-thermo-mécanique sont présentés. Les phases de déformation suivantes sont modélisées :
- formation de marges hyper étendues pauvres en magma et ouverture d’un bassin marin dont le sol est constitué de manteau exhumé,
- refroidissement sans déformation des plaques tectoniques établissant une convection du manteau supérieur,
- initiation et fermeture du bassin marin par subduction cohérente avec le modèle,
- formation et exhumation d’unités (U)HP dans une chaîne de montagne en croissance.
Les vitesses de déformation appliquées sont limitées par les reconstructions du mouvement des plaques européennes et adriatiques. L’impact de la convection du manteau supérieur sur les différentes étapes, les forces dominantes qui régissent la dynamique au sein des orogènes en croissance et les mécanismes d’exhumation des unités (U)HP sont étudiés.
Il est démontré que :
- L’hyper-extension, le refroidissement sans déformation des plaques, l’initiation de la subduction et l’évolution d’une zone de subduction, couplée à la convection du manteau supérieur, peuvent être prédits par un modèle unique. L’emplacement de l’initiation de la subduction et la polarité de la subduction se mettent en place spontanément. L’intensité de la convection du manteau supérieur contrôle l’évolution d’une seule ou de deux zones de subduction divergentes.
- La dynamique des orogenèses, dominées par la force de cisaillement, forme des prismes de poussée et des grands volumes crustaux de la plaque en subduction s’échappent rapidement de la subduction. En revanche, la dynamique des orogenèses dominées par la force de flottabilité implique un enfouissement profond et soit l’exhumation d’importants volumes crustaux, soit la relamination de zones crustales sous la plaque supérieure.
- L’exhumation des roches (U)HP s’explique par deux mécanismes successifs : premièrement, le forçage tectonique induit un plissement dans la croûte supérieure de la plaque en subduction. La nappe de plis ainsi exhumée déclenche une extension de la plaque supérieure. Secondement, sous l’effet des forces de flottabilité, des unités crustales profondément subductées s’exhument de manière cohérente sous forme de diapirs individuels le long du canal de subduction. Les chemins pressions-température prédits et l’historique des déformations des unités cohérentes de roches (U)HP exhumées sont conformes aux données naturelles et aux observations structurelles des zones contenant des roches (U)HP des Alpes occidentales et de l’Himalaya.
Les modèles à haute résolution présentés ici fournissent de nouvelles informations sur les processus de la tectonique des plaques à long terme qui conduisent à la formation de chaînes de montagnes.
