Comportement mécanique des lithosphères continentales chaudes Evolution des cratons

228 Pages·2017·29.77 MB·French

by  Guillaume Duclaux

E´cole Doctorale de Saint E´tienne The University of Sydney
Comportement m´ecanique des
lithosph`eres continentales chaudes
´
Evolution des cratons N´eoarch´eens et
Pal´eoprot´erozo¨ıques de Terre Ad´elie (Antarctique Est)
et du Gawler (South Australia)
`
THESE
pr´esent´ee et soutenue publiquement le 28 Novembre 2007
pour l’obtention du
´
titre de Docteur de l’universit´e Jean Monnet – Saint Etienne
(sp´ecialit´e Sciences de la Terre)
par
Guillaume Duclaux
Composition du jury
Rapporteurs : C. Teyssier
P. Ledru
Examinateurs : N. Arndt
H. Martin
J-M. Montel
O. Vanderhaeghe
S. Guillot (invit´e)
M-C. Gerbe (invit´e)
Directeurs de th`ese : R-P. M´enot
P. Rey
Laboratoire Transferts Lithosph´eriques – UMR CNRS 6524 « Magmas et Volcans »
EarthByte Group – School of Geosciences

Le socle Néoarchéen et ses gardiens dans la Baie de Watt ( S 66˚56.76' - E 143˚53.85')

i
Avant-propos
Je tiens avant tout `a remercier mes deux directeurs officiels de th`ese, Ren´e-Pierre M´enot
et Patrice Rey sans qui ce travail n’aurait jamais vu le jour. Merci `a tous les deux de m’avoir
permis de d´ecouvrir l’h´emisph`ere Sud, que ce soit au milieu des icebergs ou au bord d’un lac
de sel! Merci pour votre disponibilit´e, pour l’accueil que vous m’avez toujours r´eserv´e dans vos
bureaux, parfois pour de longues discussions.
Je remercie les rapporteurs de ce m´emoire Patrick Ledru et Christian Teyssier pour avoir
pris le temps de juger mon travail. Merci ´egalement aux membres du jury.
Merci `a St´ephane pour son aide, son soutien et pour m’avoir permis, il y a plus de 8 ans
de d´ecouvrir ce qu’´etait le travail d’un g´eologue de terrain. Merci `a Marie-Christine qui a pass´e
de nombreuses heures, que dis-je, journ´ees! avec moi derri`ere la ligne d’iso stables... On ne voit
pas dans ce m´emoire le r´esultat direct de tout ce temps pass´e `a broyer, trier, attaquer, mais
¸ca va venir ensuite! Merci `a Yann pour avoir film´e ma chute sur Moyes Island... et pour avoir
essay´e de g´erer au mieux les ´echantillons pour la g´eochro... On n’a pas pu contrˆoler tous les
param`etres! Aussi pour m’avoir si bien accueilli sur Nice. Merci `a tous ceux qui ont collabor´e
scientifiquement, que ce soit de pr`es ou de loin `a ce travail. Je pense plus particuli`erement `a
J´erˆome Bascou, Jean-Jacques Peucat, Gilles Ruffet, mais j’en oublie!
Un grand bravo au personnel de l’IPEV et tout particuli`erement `a Alain Pierre pour avoir
coordonn´e les missions GEOLETA. Je l`eve aussi mon verre de Rhum `a tout l’´equipage de
l’Astrolabe – le plus beau bateau du monde – tant les officiers que les marins! Un second verre
pourlateamh´elicosansquilesheuresentrelaglaceetlecieln’auraientpaseulamˆemeodeur...
Merciauxhivernantsetcampagnardsd’´et´edelaTA54etTA56pourtouscesmomentsuniques.
Des salutations sp´eciales `a : Fred qui a failli me sauver la vie (aurait-il fallu que je sois vraiment
malade...), GB (c’est moi que tu devrais remercier de t’avoir´ecout´e jouer de la guitare les jours
de blizzard...), `a Charles pour son assistance sur le terrain et enfin `a Ilka pour tous ces bons
moments partag´es entre Hobart et DDU.
Un merci `a tous les personnels des labos ou` j’ai traˆın´e plus ou moins longtemps durant
cette th`ese : d’abord Saint E´tienne (Christophe, Bertrand, Jean-Yves, Fred, Sylvie, Steph,
Marie-Paule, Colette, ...) et plus particuli`erement `a Chantal pour les lames minces splendides
et les heures de salle blanche pour la chimie! Ensuite Lyon, mon berceau en quelque sorte (MP,
Philou, Pierre, JP, Gilles et les autres..). Maintenant j’abuse de la bont´e des Grenoblois, alors
merci `a tous (un petit salut particulier pour Fran¸cois quand mˆeme). Colleagues from Sydney
Univeristy : cheers to Christian, Jo, Maria and all the fellows from the EarthByte team! I had a
ii
bloody great time mates! Enfin un merci´egalement aux chercheurs et´etudiants de Minneapolis
ou` j’ai s´ejourn´e un petit mois dans la fraicheur.
J’en arrive aux amis...Merci `a Pierrot qui a ´et´e proche, tr`es loin puis encore plus proche,
c’est toujours un plaisir de parler de p´etro le soir autour d’une bi`ere! Un merci tout sp´ecial
aux amis lyonnais qui m’ont support´e toutes ces ann´ees (d´esol´e si je ne fais pas dans le d´etail)
David,Isa,Marjo,S´eb,Cocotte,Nico,Ema,C´eline,Vincent,S´eb,J´e,Kathy,Kris,Malek,Bidou,
Mouillette... Je termine la s´erie lyonnaise par Claire. Un petit coucou aux Ard´echois, amis de
longue date (Guillaume, Val, Jade, Nad, Mel, Dij´e, Sonia...) ou plus r´ecents rencontr´es une
pagaie `a la main. Salutations aux Clermontois (M. & B.)! Merci aux grenoblois : Zab (la bise!)
et un peu plus `a Juliette. Merci encore `a Patrice (deuxi`eme couche), Sylvie, Elona et Salome de
m’avoir si chaleureusement accueilli `a Helensburgh.
Merci `a mes parents de m’avoir toujours soutenu tout au long de ces looooongues ann´ees
d’´etudes. Je n’ai pas les mots pour vous exprimer toute ma gratitude... Merci `a mes deux fr`eres
et leurs (grandes?) familles pour les sourires et les moments partag´es. Vive l’Ard`eche!
Merci aussi `a la SNCF de m’avoir fait pr´ef´erer le train durant toutes ces ann´ees..
Enfin, `a ceux que j’ai pu oublier, et je suis certain qu’il y en a plein : Merci ...
iii
R´esum´e
Comportement m´ecanique des lithosph`eres continentales chaudes
E´volution des cratons N´eoarch´eens et Pal´eoprot´erozo¨ıques de Terre Ad´elie (Antarc-
tique Est) et du Gawler (South Australia)
Mots cle´s : N´eoarch´een, Pal´eoprot´erozo¨ıque, craton, tectonique polyphas´ee, li-
thosph`ere chaude, transpression, rh´eologie, Terre Ad´elie, Antarctique, Gawler, Australie.
LebouclierEstAntarctiqueestconstitu´edenombreuxdomainesg´eologiquesaccr´et´es
autour de 530 Ma. Tous ces domaines enregistrent la trace des ´ev´enements Grenvillien
et Pan-Africain `a l’exception d’un seul : le Craton de Terre Ad´elie.
Le Craton de Terre Ad´elie et son prolongement septentrional, le Craton du Gawler
(en South Australia), font partie d’un mˆeme bloc : le Mawson Continent. Ils pr´esentent
donc une histoire g´eologique commune avant l’ouverture du domaine oc´eanique Austral
il y a environ 90 Ma. Ces cratons sont constitu´es d’un socle m´etamorphique polyphas´e
form´e et structur´e lors de deux ´ev´enements g´eologiques majeurs dat´es au N´eoarch´een
(∼ 2.5 Ga) et au Pal´eoprot´erozo¨ıque (∼ 1.7 Ga).
Cette ´etude pr´esente les m´ecanismes tectoniques `a l’origine de la structuration de
ce pal´eo-continent. Les campagnes de terrain et les travaux en laboratoire (p´etrologie,
g´eochronologie Ar–Ar et U–Th–Pb) r´ealis´es sur des roches provenant des deux cratons
ont permis (1) de pr´eciser l’ˆage et l’origine de la d´eformation n´eoarch´eenne ainsi que
le comportement de la lithosph`ere continentale `a cette ´epoque et (2) de quantifier
l’importance de la d´eformation pal´eoprot´erozo¨ıque au sein du noyau arch´een et dans les
domaines pal´eoprot´erozo¨ıques adjacents.
Ces travaux apportent de nouvelles contraintes sur la tectonique pr´ecambrienne.
Nos travaux ont permis de mettre en ´evidence et de mod´eliser num´eriquement en 3D
l’´evolution `a l’´echelle lithosph´erique de la d´eformation lors de l’affaiblissement des
contraintes tectoniques convergentes appliqu´ees `a une lithosph`ere arch´eenne chaude.
Sous l’influence de la gravit´e, la lithosph`ere chaude va fluer dans une direction per-
pendiculaire `a celle de convergence, principalement par des m´ecanismes de constriction
horizontale. De plus, nous mettons en ´evidence une dualit´e rh´eologique entre un noyau
cratonique stable et sa couverture autochtone lors de processus tardifs de r´eactivation
tectonique.
iv
Abstract
Mechanical behaviour of warm continental lithospheres
Evolution of the Neoarchaeans and Paleoproterozoics cratons of Terre Ad´elie (East
Antarctica) and Gawler (South Australia)
Keywords : Neoarchaean, Paleoproterozoic, craton, polyphased tectonic, warm
lithosphere, transpression, rheology, Terre Ad´elie, Antarctica, Gawler, Australia.
The East Antarctic Shield is made of several geological domains amalgamated at
about 530 Ma, during the Ross orogeny. All this domains but one recorded Grenvillian
and Pan-African events : the Terre Ad´elie Craton.
TheTerreAd´elieCratonanditsnorthernextension,theGawlerCraton(inSouthAustra-
lia), are both parts of a same block : the Mawson continent. Also, they display identical
geological histories prior the opening of the Southern Ocean basin at around 90 Ma.
These cratons are made of a polymetamorphic basement structured during two main
orogenesis dated to Neoarchaean (∼ 2.5 Ga) and Paleoproterozoic (∼ 1.7 Ga) times.
Thepresentworkdealswiththestudyofthetectonicmechanismsresponsibleforthe
structuration of the Mawson Paleo-continent. Field investigations and laboratory work
(petrology, Ar–Ar and U–Th–Pb geochronology) on samples from both cratons allowed
(1) to precise the age and the origin of the Neoarchaean deformation and the mechanical
behaviour of the continental lithosphere at that time, and (2) to quantify the magnitude
of the Paleoproterozoic deformation within the Archaean crust and in adjacent Paleo-
proterozoic domains.
This work provides new constraints regarding Precambrian tectonics. Our results al-
lowed us to evidence and to numerically model in 3D at the lithospheric-scale, the strain
evolutionduringwaningofconvergenceforceintoawarmArchaeanlithosphere.Weshow
that tectonic and gravitationnal forces compete in order to drive horizontal constrictive
flow of the continental lithosphere, in a direction perpendicular to the convergence. Fur-
thermore, we illustrate rheological duality between a stabilized cratonic domain and its
autochtonous sedimentary cover during later tectonic reactivation.
Table des mati`eres
Avant-propos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ii
R´esum´e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iii
Abstract . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . iv
Table des mati`eres . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v
Table des figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . x
Probl´ematiques, Objectifs et Organisation du m´emoire 1
Probl´ematiques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Objectifs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
Organisation du m´emoire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
La lithosph`ere continentale de l’Arch´een au Pal´eoprot´erozo¨ıque 10
1 La lithosph`ere continentale 11
1.1 D´efinition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2 La d´eformation de la lithosph`ere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.1 Caract´eristiques structurales des orog`enes phan´erozo¨ıques et
pr´ecambriens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.3 Les param`etres physiques influant sur la rh´eologie de la lithosph`ere conti-
nentale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.4 L’´etat thermique de la lithosph`ere continentale . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4.1 Production de chaleur et refroidissement s´eculaire de la Terre . . . 25
vi TABLE DES MATIE`RES
1.4.2 Estimation des g´eothermes continentaux . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.5 Les mod`eles de croissance crustale et l’´emergence des continents . . . . . 32
Le Craton de Terre Ad´elie 42
2 Introduction : Le continent Antarctique et le Craton de Terre Ad´elie 43
2.1 Le continent antarctique – G´en´eralit´es . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.2 Le Craton de Terre Ad´elie, un peu d’histoire... . . . . . . . . . . . . . . . 47
2.3 The Terre Ad´elie Craton Geology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
R.P M´enot, G. Duclaux, J.J. Peucat, Y. Rolland, S. Guillot, M. Fan-
ning, J. Bascou, D. Gapais, A. Pˆecher, 2007. The Terre Ad´elie
Craton Geology – 10th ISAES symposium . . . . . . . . . . . . . 52
3 Caract´erisation p´etrologique et structurale du domaine n´eoarch´een 58
3.1 Les lithologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.1 La crouˆte amphibolitique : de Port Martin `a Cape Denison et sur
Correll Nunatak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.1.2 La crouˆte granulitique : du Cape Gray au Glacier du Mertz . . . . 62
3.2 Les structures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.2.1 Les structures pr´ecoces de haute temp´erature . . . . . . . . . . . . 65
3.2.2 Les structures tardives `a la limite ductile/fragile . . . . . . . . . . 68
R.P M´enot, A. Pˆecher, Y. Rolland, J.J. Peucat, A. Pelletier, G. Du-
claux, S. Guillot, 2005. Structural Setting of the Neoarchean
Terrains in the Commonwealth Bay Area (143–145˚E),
Terre Ad´elie Craton, East Antarctica – Gondwana Research,
V8, 1, pp.1-9 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
ERRATUM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
4 L’´etat thermique de la crouˆte continentale granulitique n´eorch´eenne
du Craton de Terre Ad´elie 81
4.1 Les conditions du m´etamorphisme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4.2 Le pic de temp´erature dans le domaine granulitique. . . . . . . . . . . . . 82
4.3 Mod´elisation de l’´evolution thermique d’une lithosph`ere n´eoarch´eenne
´epaissie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84