Les "Core complexes" crustaux et mantelliques. Un peu d'histoire des sciences... géologiques... à Rennes



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Article dans Tectonophysics

L'article de Jean-Pierre Brun (Géosciences Rennes) publié en octobre 2018, qui associe également Jean Van Den Driessche,  est une "revue invitée" d’un numéro spécial de la revue Tectonophysics dédié à la mémoire de Evgenii Burov, éditeur en chef de cette revue brutalement décédé en 2015. L'article passe en revue les travaux de terrain et de modélisation analogique et numérique, réalisés en particulier par des chercheurs de Géosciences Rennes depuis la fin des années 1980, concernant le développement des « core complexes » en replaçant les résultats obtenus dans le contexte historique de la recherche internationale autour de ce sujet.
La découverte des core complexes, au tournant des années 1970-1980, d’abord dans la Province du « Basin and Range », très vaste domaine d’extension continentale Tertiaire dans l’Ouest des Etats-Unis d’Amérique, puis ensuite dans quasiment toutes les chaînes de montagnes phanérozoïques fut, pour notre compréhension de l’extension lithosphérique et de la déformation intracontinentale, une véritable révolution conceptuelle et méthodologique.




Des faits de terrain aux concepts de développement

Le terme « metamorphic core complex » (complexe à noyau métamorphique) désigne des structures en dôme de quelques dizaines de km de largeur dont le cœur métamorphique de haute température est séparé d’une superstructure non-métamorphique, affectée par des failles normales, par une zone de très intense cisaillement à faible pendage, appelé « détachement ». Tandis que l’origine extensive de ces core complexes fut assez rapidement reconnue et admise, la recherche de leur mode de développement à l’échelle de la croûte et de la lithosphère dura au moins deux décennies et n’est toujours pas close, pour certains protagonistes. On peut simplifier le débat, qui prit forme pendant les années 1980, par deux types de modèles conceptuels : a) le modèle de cisaillement simple caractérisé par un détachement à faible pendage pouvant recouper la lithosphère entière (Wernicke, 1985) (Fig.1a) et b) le modèle de charnière roulante (« rolling hinge »; Buck 1988) (Fig. 1b). Les défenseurs du premier type de modèle postulent qu’une faille normale peut naitre et se développer avec un pendage inférieur à 30°. Ceux du second type de modèle, s’appuyant sur la théorie classique de formation des failles (dite de Mohr-Coulomb), argumentent qu’au cours de l’extension une faille normale à pendage initial d’environ 60° subit une rotation vers l’horizontale tandis que de nouvelles failles se développent progressivement avec des pendages raides contribuant à former une zone de détachement à faible pendage, convexe vers le haut.

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Fig.1 Modèles conceptuels de détachements extensifs : a) de type cisaillement simple à l’échelle lithosphérique et b) de type « charnière roulante » à l’échelle crustale.




Des concepts aux modèles mécaniques

Jusqu’aux années 1990, la recherche sur les core complexes et les vifs débats qu’elle engendra ne s’appuyèrent que sur les modèles conceptuels mentionnés plus haut. Il fallut attendre les années 1990 pour les premiers modèles analogiques et les années 2000 pour les premiers modèles numériques. Aucun type de modélisation mécanique n’a pu reproduire des détachements crustaux ou lithosphériques à faible pendage. Par contre, les conditions mécaniques du développement des structures caractéristiques des core complexes, y inclus les détachements de forme convexe vers le haut, ont été modélisés tant par les méthodes analogiques que numériques. Dans la quasi-totalité des modèles mécaniques disponibles les core complexes se développent dans des lithosphères « chaudes » dont la température initiale du Moho, c’est-à-dire en base de croûte, est supérieure à 750°C. Dans de telles lithosphères le manteau lithosphérique est entièrement ductile et est très peu résistant. La figure 2 illustre le développement progressif d’un core complexe dans une lithosphère de ce type. Le processus démarre par une extension localisée dans la croûte supérieure fragile (graben). Avec l’augmentation de l’étirement et l’amincissement de la croûte la croûte ductile remonte vers la surface presque symétriquement en se refroidissant et s’exhume. La structure devient asymétrique avec développement d’un détachement. Tant que l’étirement est maintenu et tant qu’un volume suffisant de croûte ductile reste disponible le core complexe continue à croître. Pendant tout ce processus, la base de croûte (Moho) reste en position subhorizontale car tant la croûte que le manteau sous-jacent sont ductiles (fluides) et que le manteau est plus dense que la croûte.

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Fig. 2 Développement d’un core complex dans une croûte continentale fragile-ductile (d’après les modèles numériques de Tirel et al., 2008).



De l’exhumation de la croûte à celle du manteau

L’exhumation en extension de roches du manteau en association avec des détachements à faible pendage fut reconnue à l’axe des dorsales océaniques lentes et ultra-lentes dès les années 1980 (voir synthèse par Tucholke and Lin, 1994). Rapidement ces évidences sous-marines furent interprétées dans les mêmes termes que les core complexes des domaines continentaux. La différence essentielle est que dans le domaine continental c’est la croûte initialement ductile qui est exhumée tandis que dans le domaine océanique c’est le manteau. Il est intéressant de noter que, contrairement au vifs débats autour des modèles conceptuels de développement des core complexes continentaux (ex : Fig.1), le modèle de charnière roulante s’imposa très rapidement pour expliquer les structures observées dans les « oceanic core complexes ».

Au cours de la même décennie un autre type d’occurrence d’exhumation du manteau en extension fut découverte à l’extrémité de la marge de Galice (Boillot et al., 1987) qui devait, par la suite, considérablement changer notre conception de la formation des marges passives, en particulier celles dans lesquelles le volcanisme joue un rôle mineur (« Magma-poor passive margins »). L’exhumation du manteau de la marge de Galice fut initialement interprétée comme le résultat d’une extension de la lithosphère en cisaillement simple (Fig. 1a). Mais la modélisation analogique (Fig.3) montra que l’étirement d’une lithosphère continentale « froide » dont la température initiale du Moho, en base de croûte, est inférieure à 750°C permettait d’expliquer les observations sans recourir à un hypothétique détachement recoupant toute la lithosphère. Dans une lithosphère froide, le manteau lithosphérique situé sous le Moho est la couche la plus résistante de la lithosphère. L’ensemble constitué par cette couche résistante du manteau et la croûte sus-jacente subit un étirement- amincissement (Fig. 3a-c) pendant lequel le manteau lithosphérique ductile remonte vers la surface. A noter la présence d’une couche de croûte ductile jouant un rôle de décollement entre la croûte supérieure cassante et le manteau résistant sous-Moho. Avec l’augmentation de l’étirement (Fig. 3d-e), le manteau s’exhume entre les deux marges continentales en divergence, accommodée par des failles de détachement à durée de vie limitée. Le processus persiste jusqu’à ce que la vitesse d’étirement atteigne le niveau critique auquel le volcanisme prend le pas sur l’exhumation du manteau.

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Fig. 3 Exhumation du manteau pendant la formation de marges passives pauvres en magma (d’après les modèles analogiques de Brun et Beslier, 1996).




En bref…


Les core complexes sont des structures extensives de la lithosphère au cœur desquelles de la croûte ou du manteau initialement ductile s’exhume, accommodée par des failles de détachement. La figure 4 résume les trois principaux types de structures géologiques de type core complexe « métamorphic core complex », « magma-poor passive margin » et « oceanic core complex », en fonction du type de lithosphère, continentale ou océanique et du type de roche exhumée, croûte continentale ou manteau.

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Fig. 4 Les trois types de structures géologiques de type core complex




Référence
Crustal versus mantle core complexes. Brun J.-P., Sokoutis D., Tirel C., Gueydan F., Van den Driessche J., et al. Tectonophysics, 2018, 746: 22-45.



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Jean-Pierre Brun (Géosciences Rennes) / @
Alain-Hervé Le Gall (multiCOM OSUR) / @





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