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Les Pyrénées, une cible de choix pour étudier le métamorphisme HT-BP varisque?
La croûte varisque des Pyrénées est marquée par un événement thermique majeur souligné par un magmatisme abondant et un métamorphisme de HT-BP synchrone d’une phase de déformation intense à la limite Carbonifère – Permien (ca. 300 Ma). La particularité du segment pyrénéen est sa position externe lors des phases de subduction et collision varisque ayant pour conséquence un épaississement modéré de la croûte et une absence de haute pression antérieure à l’épisode de haute température dans les Pyrénées. Les Pyrénées constituent donc une cible de choix pour traiter de la question de l’origine du métamorphisme HT-BP et du magmatisme tardi-orogénique associé au cours du cycle varisque.
Le métamorphisme HT-BP observé dans la croûte continentale moyenne nécessite une source de chaleur qui peut être (i) interne, par la radioactivité de la croûte, (ii) externe, par le magmatisme, (iii) externe par amincissement ou délamination du manteau lithosphérique. L’objectif de ce travail de thèse est donc de déterminer la nature de la source de chaleur responsable de l’anomalie thermique et de préciser le contexte géodynamique associé en couplant une approche multidisciplinaire.
Dans un premier temps, une approche de terrain est effectuée afin de préciser les relations entre déformation, métamorphisme et magmatisme. Dans un second temps, une étude géochronologique est réalisée pour déterminer l’âge du métamorphisme et la durée de l’épisode magmatique. Dans un troisième temps, le travail est complété par une étude pétrologique afin de mieux contraindre l’origine des magmas mis en place lors de l’épisode tardi-orogénique et de préciser l’évolution spatiale et temporelle des gradients dans la croûte varisque lors du métamorphisme HT-BP. L’ensemble des données permettent de mieux caractérisé l’épisode de haute température tardi-varisque et sont utilisées pour contraindre le modèle numérique 1D afin de discuter des potentielles sources de chaleur.
Enfin, la question de la place des Pyrénées dans la chaîne varisque est posée. Alors que les études s’accordent sur une position d’avant-pays lors de la convergence varisque, l’intensité de l’épisode de haute température suggère une position plus interne au cours de la phase tardi-orogénique.
Organisation du manuscrit et cadre de l’étude
Organisation du manuscrit
La cible de l’étude est l’épisode de haute température tardi-orogénique dans le segment pyrénéen, caractérisé par du métamorphisme HT-BP et du magmatisme. Ce travail de thèse est à l’interface entre la pétrologie métamorphique et la pétrologie magmatique. Le plan choisi afin de répondre à la problématique suit donc une logique thématique avec des sous-parties orientées d’un point de vue géographique notamment entre les massifs nord-pyrénéens et la zone axiale.
Après ce premier chapitre d’introduction général, le deuxième chapitre consiste en une présentation détaillé du contexte géologique. La première partie aborde la chaîne des Pyrénées dans son ensemble et les différents cycles orogéniques affectant le segment pyrénéen. La seconde partie se focalise sur les caractéristiques des Pyrénées varisques.
Le troisième chapitre traite du métamorphisme HT-BP. La première partie du chapitre s’intéresse au métamorphisme au niveau des dômes métamorphiques atteignant les conditions d’anatexie dans la croûte moyenne alors que la seconde partie s’attache aux conditions métamorphique dans l’épizone, c’est à dire la couverture sédimentaire peu affectée par l’épisode de haute température. Les sous-parties suivent un découpage géographique en fonction des cibles choisies.
Le quatrième chapitre du manuscrit étudie le magmatisme tardi-orogénique dans les Pyrénées. La zone du Chiroulet – Lesponne – Néouvielle est prise comme exemple principal afin de préciser la chronologie de l’épisode magmatique et de contraindre les sources potentielles de magmas.
Le cinquième chapitre consiste en un travail de modélisation numérique dont l’objectif est de quantifier les mécanismes physiques pour expliquer les observations pétrologiques et chronologiques faites dans les chapitres précédent et apporter des précisions sur le contexte géodynamique responsable de l’épisode de haute température tardi-orogénique dans les Pyrénées varisques.
Le dernier chapitre, avant la conclusion générale, se présente sous la forme d’une synthèse et d’une discussion sur l’origine et le développement de la thermicité dans les Pyrénées varisques et la place des Pyrénées dans la chaîne varisque.
Cadre de l’étude
La chaîne des Pyrénées est l’objet de récents programmes de recherches (e.g. ANR Pyrope, ANR Pyramide) notamment lié au fait que la chaîne résulte de la succession de deux cycles orogéniques dont le cycle alpin comprenant une phase d’extension suivie d’une inversion. C’est donc une cible de choix afin d’étudier un cycle orogénique dans son ensemble mais aussi pour aborder les questions d’héritage dans une chaîne de montagne.
Ce travail de thèse s’inscrit dans le projet de Référentiel Géologique de la France (RGF) mené par le Bureau de Recherche Géologique et Minière (BRGM) dont le premier chantier est consacré aux Pyrénées. Une première thèse RGF de structurale (mené par Bryan Cochelin) sur le champ de déformation du socle paléozoïque des Pyrénées a débuté un an plus tôt. Une collaboration sur le terrain et les résultats obtenus à partir d’approches complémentaires dans le cadre de ces deux thèses ont abouti à la production d’un premier article en commun sur la zone de la Pallaressa publié en 2017 (Chapitre 3.3.1).
Le projet Orogen (BRGM, Total, CNRS) débuté en 2015 s’ajoute aux précédant programmes de recherches avec plusieurs études sur les Pyrénées.
Ce travail de thèse est financé par un contrat doctoral spécifique aux normaliens de l’ENS de Lyon et le fonctionnement (terrain, analyse, conférence…) est financé par le BRGM dans le cadre du RGF.
Les Pyrénées, une chaîne issue de la succession de plusieurs cycles orogéniques
Les Pyrénées anté-varisques
L’abondance d’orthogneiss dans l’ensemble de la chaîne, dont les trois principaux corps sont les orthogneiss de l’Aston, de l’Hospitalet et du Canigou (Debon et al., 1996), souligne la présence d’évènements magmatiques cambro-ordoviciens antérieurs au cycle varisque (Casas et al., 2014; Denèle et al., 2009; Liesa et al., 2011; Martínez et al., 2011).Ces corps magmatiques sont ensuite gneissifiés au cours de l’orogenèse varisque.
Les Pyrénées varisques
Les roches du socle impliquées dans l’orogenèse varisque sont essentiellement des métasédiments allant du Précambrien au Carbonifère et des plutons cambro-ordoviciens. Ce socle paléozoïque est intrudé par de nombreux plutons du Carbonifère supérieur au Permien inférieur (figure 2.1).
Contrairement à la majorité des segments de la chaîne varisque ouest-européenne, la particularité du segment pyrénéen est l’absence de relique de haute pression (figure 1.4) et d’indices de doublement de la série sédimentaire soulignant une phase de subduction et/ou de collision au cours de l’orogenèse varisque. En effet, au Carbonifère inférieur pendant la phase d’épaississement crustal de la chaîne varisque, les Pyrénées sont caractérisées par une sédimentation turbiditique (faciès Culm, Devolvé, 1996). Les Pyrénées sont donc interprétées comme l’avant-pays de la chaîne varisque (e.g. Autran et al., 1995; Cochelin et al., 2017). Quelques études montrent de plus que l’épaississement crustal avant l’événement HT tardi-varisque est modéré (Azambre and Guitard, 2001a; Carreras and Debat, 1996a; de Hoym de Marien, 2016).
Le segment pyrénéen est toutefois marqué par l’abondance de plutons calco-alcalin riche en K syn-tectonique (Debon et al., 1996; Gleizes et al., 2006) et la présence de nombreux dômes métamorphiques de HT-BP (Denèle et al., 2014; Guitard et al., 1996) à la transition Carbonifère-Permien (figure 2.1), soulignant l’importance de l’événement de HT-BP tardi-varisque dans les Pyrénées (Debon et al., 1996; Guitard et al., 1996). Le magmatisme et le métamorphisme sont synchrones d’une phase de déformation majeure de l’ensemble du socle paléozoïque (Carreras and Debat, 1996a; Cochelin et al., 2017).
Le métamorphisme varisque pyrénéen
Conditions pression-température au cours du métamorphisme HT-BP des Pyrénées varisques
La faille nord-pyrénéenne sépare la chaîne des Pyrénées en deux domaines distincts : (i) la zone nord-pyrénéenne et (ii) la zone axiale (ZA), chacune ayant des particularités d’un point de vue du métamorphisme varisque.
(i) Le socle paléozoïque de la zone nord-pyrénéenne correspond à l’ensemble des massifs nord-pyrénéens (MNP). Ceux-ci contiennent les reliques les plus profondes de la croûte varisque affectée par l’épisode métamorphique de haute température – basse pression (HT-BP) tardi-varisque avec des pressions maximales allant jusqu’à 7 kbar (Vielzeuf, 1984 ; figure 2.3), soit une profondeur d’une 20aine de km correspondant à la transition entre croûte moyenne et croûte inférieure. Ces reliques profondes sont principalement constituées d’une série para-dérivée de roches granulitiques, d’origine probablement en grande partie précambrienne (Guitard et al., 1996; Vielzeuf, 1984). Dans tous les MNP, la croûte moyenne est partiellement fondue. L’ensemble des estimations pression – température (PT) dans les MNP montre des gradients de HT-BP variables, allant de 40°C/km jusqu’à 80 °C/km (figure 2.3, table 2.1). De plus, dans les massifs de l’Agly, du Saint-Barthélémy et du Castillon, on observe une section plus ou moins continue de la croûte varisque depuis les reliques les plus profondes représentées par des granulites (800-850 °C pour 6-7 kbar) jusqu’à des niveaux correspondant à la croûte supérieure telle que la couverture métasédimentaire du Paléozoïque supérieur jusqu’au Permien. On peut donc y étudier l’évolution de la température en fonction de la profondeur. A partir d’estimations de la température à différents niveaux de la croûte, Siron (2012) montre ainsi une évolution en deux parties de la température pouvant expliquer l’importante diversité de gradients observés dans les MNP. Alors que la partie supérieure de la croûte dans l’Agly est caractérisée par un fort gradient (supérieur à 50 °C/km dans les micaschistes), la croûte moyenne gneissique montre des conditions isothermes de 750 °C à partir de 10-15 km de profondeur (figure 2.3).
Le trajet rétrograde montre un refroidissement au cours de l’exhumation tardi-varisque jusque des conditions de 500-550 °C pour 1.5-2 kbar dans les zones mylonitiques des gneiss granulitiques du massif du Saint Barthélémy (Saint Blanquat et al., 1990).
Âge du métamorphisme HT-LP dans les Pyrénées
Alors que l’âge du magmatisme varisque dans les Pyrénées est correctement contraint (cf. 2.3.2. Le magmatisme varisque pyrénéen), on observe un manque de datation du métamorphisme et de la fusion partielle associée (figure 2.5) qui ne permet pas de décrire précisément l’épisode HT-BP tardi-varisque dans les Pyrénées. Les données existantes montrent néanmoins que le métamorphisme de HT-BP est d’âge Carbonifère supérieur à Permien inférieur, synchrone du magmatisme tardi-varisque (Debon et al., 1996; Guitard et al., 1996). Certaines études suggèrent un épisode de HT-BP plus complexe qu’un événement avec un unique pulse de chaleur responsable du métamorphisme et de la fusion partielle. En effet, Aguilar et al. (2014) montrent l’existence de deux pulses magmatiques distincts chacun associé à un épisode de fusion partielle entre 314 Ma et 307 Ma dans le massif de la Jonquera à l’est des Pyrénées. De même, Esteban et al. (2015) suggèrent que l’anomalie thermique dure au moins 7 Ma avec un délai entre le début du métamorphisme à 307 ± 3 Ma et la mise en place des plutons à 300 ± 2 Ma dans le massif du Lys-Caillaouas. Dans le massif du Cap de Creus, Druguet et al. (2014) datent une granodiorite intrusive dans la zone de bas grade métamorphique et une diorite dans la zone partiellement fondue. Alors que la granodiorite donne un âge de 291 ± 3 Ma, la diorite est datée à 299 ± 4 Ma. Structuralement, la diorite est décrite comme synchrone des migmatites, ce qui permet d’en déduire un âge de la fusion partielle. Les auteurs montrent donc que l’épisode métamorphique HT-BP s’étale sur une dizaine de Ma à la transition Carbonifère Permien. Enfin, des datations de roches métamorphiques dans les massifs nord-pyrénéens donnent des âges de cristallisation des monazites et des zircons autours de 300 Ma (Delaperrière et al., 1994; Hart et al., 2016; Tournaire, 2014).
On notera que les datations basées sur des systèmes chronométriques à plus basse température de fermeture donnent des âges Crétacé ou Alpin (e.g. Costa and Maluski, 1988; Vissers et al., 2016). Ces résultats soulignent l’importance de la phase de rifting Crétacé et de l’orogenèse Alpine qui peuvent entraîner une remise à zéro partielle des systèmes chronométriques.
Lien entre magmatisme et métamorphisme
La chronologie relative entre le magmatisme et le métamorphisme et la déformation est débattue. En effet, plusieurs études (e.g. Autran et al., 1970; Debon et al., 1996; Zwart, 1979) soulignent que la plupart des massifs de granitoïdes sont postérieurs à la phase majeure de déformation sur la base du caractère sécant des massifs sur la schistosité régionale, de leur texture principalement isotrope et de l’existence d’enclaves de roches encaissantes déformées. De plus, le recoupement entre les auréoles de contacts autours des plutons et les isogrades du métamorphisme régional suggèrent que le magmatisme et le métamorphisme soient diachrones. Cependant, d’autres auteurs (e.g. Pouget et al., 1989; Soula et al., 1986) proposent que la mise en place des plutons est plus progressive et serait, selon les niveaux structuraux concernés, en partie synchrone de la déformation et du métamorphisme, voire même précoce comme le suggèrent les études de susceptibilité magnétique qui montrent une anisotropie des plutons (e.g. Bouchez et al., 1990; Gleizes et al., 1991; Gleizes and Bouchez, 1989). De même, des études plus récentes au niveau des dômes métamorphiques (Aguilar et al., 2014b; Denèle et al., 2014; Druguet et al., 2014) proposent, malgré le manque de contraintes géochronologiques sur le métamorphisme et la fusion partielle, que le magmatisme et le métamorphisme hercynien sont synchrones mais avec un lien de cause à effet encore débattu. En effet, alors que des études montrent que, dans les dômes métamorphiques, les intrusions de roches mafiques à intermédiaire entraînent la fusion partielle des roches encaissantes (Druguet et al., 2014; Tournaire Guille, 2017), d’autres montrent un décalage de quelques millions d’années entre le début du métamorphisme antérieur et la mise en place ultérieure des plutons (Esteban et al., 2015).
Cette ambiguïté sur la chronologie relative entre magmatisme et métamorphisme entraîne une incertitude sur la pétrogenèse des magmas, notamment sur la question de la source crustale ou mantellique du magmatisme et sur l’identification des causes du métamorphisme. Elle entraîne également une ambiguïté sur la chronologie relative avec la déformation. La structuration des dômes apparaît en effet tardive par rapport au pic de HT et produit un amincissement considérable de la série.
Modèle pétrogénétique des roches magmatiques tardi-varisques dans les Pyrénées
Alors que l’ensemble des études s’accordent sur une source de chaleur externe pour expliquer l’anomalie thermique observée dans la croûte Pyrénéenne à la fin de l’orogène varisque, la nature de la source des magmas (mantellique, crustale ou hybride) est quant à elle mal contrainte (Debon et al, 1996). Deux sources principales de magmas sont identifiées : la croûte continentale, constituée de roches magmatiques anté-varisque et de roches paradérivées, et le manteau hétérogène sous-jacent.
L’importance des termes acides et la composition alumineuse des plutons attestent d’une forte contribution crustale. De même, la faible variation de la composition isotopique des roches magmatiques (excepté les termes extrêmes tels que les gabbros) suggèrent que la composante crustale de la source est relativement uniforme sur l’ensemble du segment pyrénéen (Debon et al, 1996).
Dans un premier temps, suite à la mise en évidence d’une contribution crustale importante, la question sur l’origine de la signature calco-alcaline du magmatisme varisque et son lien avec le magmatisme cambro-ordovicien (orthogneiss) est soulevée. On observe en effet que les orthogneiss ont une signature calco-alcaline riche en potassium similaire à celle des magmas varisques (figure 2.6). La composition essentiellement péralumineuse (figure 2.7) et l’absence de minéraux caractéristiques de roches métalumineuses tels que des amphiboles peuvent par ailleurs s’expliquer par un lessivage du calcium lors du métamorphisme varisque et de la gneissification des granitoïdes anté-varisques. De plus, Vilà et al. (2005) proposent que les leucogranites du massif des Albères soient issus de la fusion partielle des orthogneiss pré-varisques. A l’opposé, Debon et al. (1996) soulignent (i) la différence de composition entre les termes dominants du plutonisme varisque et la composition des orthogneiss et (ii) la diversité des types pétrographiques varisques. Il en conclut donc que les orthogneiss et les plutons varisques ne sont pas issus du même matériau source.
Dans un second temps, les dômes métamorphiques constitués de roches paradérivées partiellement fondues peuvent constituer une seconde source crustale des magmas. Cependant, le fait que de nombreux plutons ne s’enracinent pas dans une zone d’anatexie qui affleure et que la composition isotopique des gneiss dans les dômes métamorphiques soit trop élevée pour que ceux-ci constituent la principale source des magmas (Debon et al, 1996 et références) soulignent la présence d’une croûte inférieure non affleurante comme matériau-source principal.
Il reste à montrer ou non la présence d’une source mantellique et à quantifier son importance. En effet, la présence de roches mafiques (gabbro) peut suggérer une contribution mantellique dans la source du magmatisme. Mais l’absence de signature purement mantellique de ces termes mafiques souligne alors l’importance de l’hybridation entre des magmas mantelliques et crustaux comme cela a été montré pour le magmatisme tardi-varisque dans le Massif central français (Couzinié et al., 2016).
Des études locales proposent des mécanismes différents pour expliquer la grande diversité des roches magmatiques tardi-varisques et notamment la présence de roches mafiques avec une implication du manteau (i) soit en tant que source de chaleur uniquement (Kilzi, 2014; Kilzi et al., 2016), (ii) soit en tant que source de chaleur et de magmas (Roberts et al, 2000).
(i) Pour le dôme métamorphique de Gavarnie, Kilzi (2014) et Kilzi et al. (2016) proposent un premier épisode anté-varisque de fusion partielle du manteau et de mise en place de roches mafiques à ultra-mafiques dans la croûte inférieure. Au cours de l’épisode varisque, les roches mafiques mises en place dans la croûte moyenne des Pyrénées, seraient issues de la fusion partielle de la croûte inférieure hétérogène, constituée de roches sédimentaires et des roches magmatiques mafiques mises en place antérieurement (figure 2.14). Au cours de l’épisode varisque, les roches mafiques sont donc d’origine crustale et le manteau agit uniquement comme source de chaleur dans ce modèle pour le dôme de Gavarnie.
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Table des matières
Chapitre 1 : Introduction générale
1.1. Pourquoi s’intéresser à la chaîne des Pyrénées et particulièrement à l’épisode varisque dans les Pyrénées ?
1.2. Signification et origine du métamorphisme haute température – basse pression (HT-BP) et du magmatisme associé dans les chaînes de montagnes
1.3. La chaîne varisque ouest-européenne, un exemple de métamorphisme HT-BP tardi orogénique
1.4. Les Pyrénées, une cible de choix pour étudier le métamorphisme HT-BP varisque?
1.5. Organisation du manuscrit et cadre de l’étude
Chapitre 2 : Contexte géologique
2.1. Introduction
2.2. Les Pyrénées, une chaîne issue de la succession de plusieurs cycles orogéniques
2.3. Les caractéristiques du cycle Varisque dans les Pyrénées
Chapitre 3 : Origine et développement du métamorphisme haute température – basse pression dans les Pyrénées varisques
3.1. Introduction
3.2. Etude des massifs métamorphiques pyrénéens (article #1)
3.3. Etude de la température dans la couverture sédimentaire paléozoïque (article #2)
3.4. Conclusion
Chapitre 4 : Origine et durée du magmatisme tardi-orogénique dans les Pyrénées varisques
4.1. Introduction
4.2. Article #3: Origin and duration of late orogenic magmatism in the foreland of the Variscan belt (Lesponne – Chiroulet – Neouvielle area, french Pyrenees)
4.3. Âge, durée et source du magmatisme dans le dôme de l’Aston
4.4. Le magmatisme varisque dans l’ensemble de la chaîne pyrénéenne
4.5. Conclusion
Chapitre 5 : Modélisation 1D de l’origine et du développement de l’anomalie thermique
5.1. Introduction
5.2. Méthodologie
5.3. Résultats et discussion
5.4. Conclusion
Chapitre 6 : Synthèse et discussion
6.1. Introduction
6.2. Etude comparative des conditions PT dans la zone nord-pyrénéenne et la zone axiale
6.3. Synthèse chronologique et comparaison des zones nord-pyrénéenne et axiale
6.4. Modèle géodynamique général des Pyrénées varisques
6.5. Place des Pyrénées dans la chaîne varisque
Chapitre 7 : Conclusion et perspectives
7.1. Conclusion
7.2. Perspectives
Références bibliographiques
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