Philippe Yamato (professeur à l’université de Rennes 1) et Jean-Pierre Brun (professeur émérite à l’université de Rennes 1), chercheurs au laboratoire Géosciences Rennes de l’OSUR (CNRS-INSU), sont les auteurs d’un article paru en décembre 2016 dans la revue Nature Geoscience sous le titre « Metamorphic record of catastrophic pressure drops in subduction zones ». Dans le domaine de la tectonique, cet article propose une nouvelle approche des mécanismes qui régissent la dynamique de la subduction, approche basée sur l’analyse des roches métamorphiques de haute pression.

NB : Dernière nouvelle : Cet article fait l’objet d’un commentaire "news and views" de Kip V. Hodges dans la revue Nature du 2 mars 2017 (n° 543, pp.44–45)

Lors de leur enfouissement dans les zones de subduction, les roches subissent des transformations minéralogiques, qu’elles peuvent enregistrer, en fonction des conditions de pression et de température qu’elles subissent. Le fait de retrouver ces roches à la surface de la Terre prouve qu’après leur enfouissement, elles sont revenues vers la surface. Si nous arrivons à déchiffrer ce que ces roches ont enregistré, nous pouvons alors en apprendre beaucoup sur ce qui s’est passé dans ces endroits humainement inaccessibles. Cet enregistrement minéralogique constitue une signature originale que les pétrologues et les géochronologues savent déchiffrer pour remonter à l’histoire Pression-Température-temps (P-T-t) vécue par ces roches au cours du temps.

Schéma simplifié d’une zone de subduction montrant l’enfouissement, puis l’exhumation d’une roche. Au cours de la subduction, cette roche de la lithosphère va se transformer sous l’effet de la pression et de la température : c'est le métamorphisme.

Cette histoire est alors souvent représentée sous la forme d’un « chemin P-T-t ». Ces données sont très précieuses car c’est en partie à partir de cela que les géologues arrivent à retracer l’histoire géologique de toute une région. Jusqu’à présent, en effet, ils considèrent que la pression correspond à une pression lithostatique, c’est-à-dire à la charge due au poids des roches situées au-dessus, et peuvent ainsi directement traduire l’évolution de la pression en terme d’évolution de profondeur.

A gauche, photo d’une éclogite fracturée provenant de la base du Mt. Emilius (Alpes). A droite, Exemple de chemin P-T-t qu’il est possible d’obtenir à partir de l’analyse pétrologique d’une roche de haute pression. La pression maximum enregistrée est appelée « Pic de pression ». La décompression (ligne verte) montre souvent deux parties, une très verticale, qui correspond a une chute de pression brutale (sans véritable changement de température) et une deuxième partie, montrant une pente plus douce (décompression associée à une baisse de température).

Cependant, cette nouvelle étude montre que l’évolution de la pression qu’enregistre la roche n’est pas uniquement due à une évolution de la profondeur. A partir d'une analyse des chemins P-T disponibles pour ces roches de haute pression de divers endroits du monde, cette nouvelle étude montre, en effet, que le pic de pression – autrement dit la pression maximum enregistrée par les roches - est proportionnel à la décompression très rapide et de très forte amplitude qui est enregistrée lorsque les roches amorcent leur remontée. Elle montre que cette relation linéaire peut s’expliquer simplement par une transition soudaine entre compression, associée à l’enfouissement, et extension, associée à l’exhumation: ce qui représente tout de même quelques millions d’années à l’échelle géologique !

Lors de cette transition, un changement majeur d’orientation et d’amplitude des contraintes principales tectoniques conduit alors à une chute brutale des pressions avant même que les roches ne remontent significativement vers la surface. De ce fait, le pic de pression enregistré par les roches métamorphiques ne correspond pas nécessairement, comme on le pense en général, à la charge lithostatique mais reflète d'abord un changement de régime tectonique entre compression et extension.

Les chercheurs ont également trouvé que cette chute de pression correspondait exactement à la différence de pression que les roches peuvent enregistrer dans le cas où elles se fracturent en passant de compression à extension.

Représentation de l’état de contrainte d’une roche dans un diagramme de Mohr : A une profondeur donnée, une roche subit le poids des roches qui sont situées au dessus d’elles : c’est la pression lithostatique. Lorsque la lithosphère est en compression, elle subit en plus des contraintes tectoniques qui font que la pression totale (centre du demi-cercle) qu’elle peut enregistrée augmente. Si cette contrainte devient trop forte, la roche se fracture. A ce moment là, la pression est alors plus élevée (et égale à Pc, centre du demi-cercle bleu). A l’inverse, en extension, la roche subit des contraintes tectoniques opposées. Elle se fracture alors plus facilement, à une pression Pe plus faible (centre du demi-cercle vert). Sans changer de profondeur, une roche peut donc enregistrer une chute brutale de la pression ΔP, simplement en passant de compression à extension.

Ces résultats ont donc des implications importantes sur la façon dont se déforment les roches au sein des zones de subduction, sur l’amplitude des pressions tectoniques qu’elles peuvent supporter, et sur la sismicité que cela peut engendrer. Cela suggère aussi que notre conception actuelle de la dynamique des zones de subduction mérite d'être reconsidérée sous cet éclairage, et avec elle, un des concepts essentiels pour la compréhension globale de la tectonique des plaques.

Référence :
Metamorphic record of catastrophic pressure drops in subduction zones
Philippe Yamato et Jean-Pierre Brun
Nature Geoscience, 5 décembre 2016. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/ngeo2852


Contact (OSUR) :
Philippe Yamato (Géosciences Rennes)
Jean-Pierre Brun (Géosciences Rennes)
Alain-Hervé Le Gall (multiCOM OSUR)