Chronologie et durée du métamorphisme varisque de haute pression (HP) dans le Massif central français : une étude géochronologique multiméthodes du massif de Najac


 AHLeGall    14/05/2018 : 08:36

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La datation précise du métamorphisme est d'une importance capitale pour comprendre l'évolution tectonique d'un orogène, car celui-ci enregistre la pression et la température au cours du processus géologique.

La datation précise du métamorphisme est d'une importance capitale pour comprendre l'évolution tectonique d'un orogène, car celui-ci enregistre la pression et la température au cours du processus géologique. C’est d’autant plus vrai pour le métamorphisme de faciès éclogitique qui se développe lors des étapes précoces de l’orogenèse (i.e. la naissance d’une chaîne de montagnes). Caroline Lotout, Pavel Pitra, Marc Poujol et Jean Van Den Driessche (Géosciences Rennes / OSUR) publient dans la revue Lithos en mai 2018 un article qui expose les résultats d’une étude géochronologique multiméthodes et d'une modélisation thermodynamique pour expliquer la chronologie et la durée du métamorphisme éclogitique varisque dans le Massif central français.

Rappelons tout d’abord que les minéraux constituant des roches ne sont stables que dans des domaines définis de température (T) et de pression (P). Lors d'un cycle orogénique, les roches (sédimentaire, magmatique ou métamorphique) peuvent être entraînées (enfouies) pour des raisons tectoniques vers la profondeur : il y a alors transformation des minéraux par réaction entre eux. De nouveaux assemblages apparaissent, caractéristiques des conditions P-T rencontrées durant ce parcours : c'est ce qu’on appelle en géologie le métamorphisme, qui peut se définir comme l'ensemble des modifications intervenant à l'état solide dans la composition minérale et dans la structure d'une roche soumise à des conditions de température et de pression différentes de celles où elle s'est formée. Ces transformations, qui peuvent donc être minéralogiques, texturales, structurales ou encore chimiques, amènent à une réorganisation des éléments dans la roche et à une recristallisation des minéraux à l'état solide. La présence d’assemblages particuliers de minéraux définit ce qu’on appelle les faciès métamorphiques. Le faciès dit éclogite correspond à des conditions de haute pression (> c. 12 kbar, c’est-à-dire plus de 45 km de profondeur) et haute température (> c. 500 °C). Ces roches peuvent être ensuite exhumées, c’est-à-dire ramenées à la surface de la Terre. En réalisant des datations isotopiques sur des roches métamorphiques, on peut alors intégrer le temps sur des diagrammes P-T (i.e. P-T-t) et ainsi réaliser des "chemins" pression-température-temps traduisant de façon visuelle l'évolution des séries métamorphiques dans les orogenèses.

La présence d'éclogites à la surface de la Terre est généralement considérée comme un enregistrement des anciennes zones de subduction, là où une plaque tectonique océanique s'incurve et plonge sous une autre plaque avant de s'enfoncer dans le manteau terrestre. La datation du métamorphisme à haute pression (HP) de ces roches est donc une étape clé dans la reconstruction de la géodynamique à travers le temps. Cependant, la surimpression des premiers assemblages métamorphiques de HP et la perturbation des géochronomètres par les étapes métamorphiques qui viennent après, peut entraver la mesure d'un âge précis pour le métamorphisme de HP et, par conséquent, brouiller l'interprétation géodynamique globale : bref, les traces se mélangent les rendant difficilement lisibles...

D’où l’intérêt et l’originalité de l’approche multiméthodes. Utilisées indépendamment ou en combinaison, des méthodes de datation radiométriques qui reposent sur la désintegration des éléments radioactifs, ont été utilisés avec succès pour la datation du métamorphisme HP :
(1) uranium-plomb sur zircon (U-Pb),
(2) lutétium-hafnium sur grenat (Lu-Hf) et
(3) samarium-néodyme sur grenat (Sm-Nd).
Enfin, l'interprétation de ces âges à la lumière de leur contexte pétrographique, ainsi que l'analyse des éléments traces dans les minéraux datés, permet de déterminer le chemin P-T-t . L'approche multiméthodes est donc un excellent moyen d'attribuer des âges à des stades métamorphiques spécifiques afin d'accéder à des taux d'enfouissement ou d'exhumation, d'évaluer la précision géologique de chaque chronomètre et d'éviter de mal interpréter des âges géologiquement dénuées de sens.

La ceinture varisque européenne du Paléozoïque tardif - l'ère Primaire ou Paléozoïque a duré 300 Ma (de 545 à 245 Ma) - contient des roches qui présentent un tel défi : les modèles géodynamiques disponibles impliquent deux ou plusieurs domaines océaniques subductées, selon l'interprétation des résultats géochronologiques obtenus sur les roches métamorphiques HP.

Les éclogites de la région de Najac, dans le sud-ouest du Massif central français, sont considérées comme étant liées à une suture océanique. Cependant, les méthodes utilisées pour estimer leurs conditions P-T sont maintenant jugées peu fiables et les éclogites n'ont jamais été datées. Dans le travail effectué à Géosciences Rennes en collaboration avec le laboratoire de géochronologie de l’Académie des Sciences de Pologne, à Cracovie, les conditions P-T métamorphiques sont réévaluées par une analyse pétrographique et une modélisation numérique des équilibres de phase. L'âge et la durée du métamorphisme HP sont étudiés à l'aide de plusieurs outils géochronologiques indépendants et complémentaires - Lu-Hf et Sm-Nd sur les grenats, et U-Pb sur le zircon et l'apatite - couplés à des analyses d'éléments traces sur les minéraux datés.

Sur la base d'une étude utilisant plusieurs méthodes géochronologiques et la modélisation thermodynamique, les auteurs de l’article montrent que les éclogites de Najac ont atteint 560-630 °C à 15-20 kbar (55-75 km de profondeur) et que la partie prograde (celle lors de laquelle la pression et la température augmentent) de l'événement métamorphique haute pression a duré 6,1 Ma (± 4,3 Ma) à partir de 382,8 Ma (± 1 Ma) et a culminé à 376,7 Ma (± 3,3 Ma). L'exhumation ultérieure est limitée par la datation de l'apatite à 369 Ma (± 13 Ma).

Ce travail est la première étude de l'événement haute pression dans le Massif Central français utilisant une approche pétrochronologique (s’efforçant à ancrer la (re)rcistallisation des minéraux datés dans l’évolution des conditions pression-température) : la datation des grenats qui a été utilisée semble fondamentale pour obtenir des informations temporelles sur l'histoire de la roche.

En effet, la datation au zircon seule aurait conduit à une incertitude significative sur la signification des datations obtenues, compte tenu de la diversité des spectres de terres rares. L’étude souligne que dans les roches subductées l'approche géochronologique multiméthodes est mieux adaptée pour démêler leur histoire métamorphique complexe.



Pavel Pitra Image

 
Schéma P-T-t illustre la croissance des minéraux datés :
•    Bleu : zircon (U-Pb)
•    rouge et violet : respectivement le noyau des grenats (Lu-Hf) et le bord (Sm-Nd)
•    orange : apatite (U-Pb)
Les différents stades de croissance des zircons, avant et pendant le début du métamorphisme du faciès éclogitique sont représentés. La croissance du noyau des grenats, enregistrée par l'âge Lu-Hf de 382,8 Ma (± 1,0 Ma), marque les premiers stades du faciès éclogitique. L'âge Sm-Nd de 376,7 Ma (± 3,3 Ma) correspond à la cristallisation du bord et du pic HP. L'apatite, cristallisant dans les fractures des grenats, contraint l'exhumation à 369 Ma (± 13 Ma).



Référence
Caroline Lotout, Pavel Pitra, Marc Poujol, Robert Anczkiewicz, Jean Van Den Driessche. Timing and duration of Variscan high-pressure metamorphism in the French Massif Central: A multimethod geochronological study from the Najac Massif. Lithos, Volumes 308–309, 2018, Pages 381-394


Contact OSUR
Caroline Lotout (Géosciences Rennes) / @
Pavel Pitra (Géosciences Rennes) / @
Alain-Hervé Le Gall (multiCOM OSUR) / @





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