Un nouveau regard sur la dynamique de la subduction

Jeudi, 22 décembre 2016

Suite à l’analyse de roches métamorphiques de haute pression, deux chercheurs du laboratoire Géosciences Rennes (Géosciences Rennes/OSUR, CNRS / Université Rennes 1) proposent une nouvelle approche des mécanismes régissant la dynamique de la subduction. Ils montrent que les variations de pression enregistrées par ces roches, alors qu’elles amorçaient leur remontée vers la surface, seraient la traduction de changements majeurs d’orientation et d’amplitude des contraintes tectoniques et d’un comportement cassant de leur part.

Lors de leur enfouissement dans les zones de subduction, les roches de la lithosphère subissent des transformations minéralogiques qu’elles enregistrent : c'est le métamorphisme. Ces roches métamorphiques de haute pression peuvent par la suite revenir vers la surface, ce qui permet aux chercheurs de les étudier. L’enregistrement minéralogique des transformations que ces roches ont subies constitue alors, à condition qu’elles en aient gardé la mémoire, une signature originale que les pétrologues et les géochronologues savent déchiffrer, ce qui leur permet de retracer l’histoire de ces roches, voire l’histoire géologique de toute une région.


Schéma simplifié d’une zone de subduction montrant l’enfouissement puis l’exhumation d’une roche.

Cette histoire est souvent représentée sous la forme d’un "chemin Pression-Température-temps", ou "chemin P-T-t". Jusqu’à présent, pour remonter à l’histoire géologique d’une région, les géologues considéraient que la pression correspondait à une pression lithostatique, c’est-à-dire une pression due uniquement au poids des roches situées au-dessus, et donc pouvait être directement liée à la profondeur.

Deux chercheurs du laboratoire Géosciences Rennes ont analysé les chemins P-T, disponibles dans la littérature, d’une cinquantaine de roches de haute pression provenant de divers endroits du monde.


À gauche, une éclogite fracturée provenant de la base du Mt. Emilius (Alpes). À droite, un 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 décompression (ligne verte) montre souvent deux parties, avec une chute de pression brutale sans véritable changement de température, puis une décompression plus douce associée à une baisse de température.

Ils ont montré que la pression maximum - ou pic de pression - enregistrée par ces roches était proportionnelle à la décompression très rapide et de très forte amplitude qu’elles avaient enregistrée alors qu’elles ne faisaient qu’amorcer leur remontée.
Ils ont également établi que cette relation linéaire pouvait s’expliquer simplement en considérant que la transition ayant conduit à cette chute brutale de la pression, à savoir la transition entre la compression associée à l’enfouissement et l’extension qui permet ensuite l’exhumation, a été soudaine, du moins à l’échelle géologique puisqu’elle se serait produite tout de même en quelques millions d’années ! Une telle transition entraine alors un changement majeur dans l’orientation et l’amplitude des contraintes tectoniques principales. Le pic de pression enregistré par les roches métamorphiques ne correspondrait donc pas uniquement, comme on le pense en général, à la charge lithostatique, mais pourrait correspondre d'abord à un changement de régime tectonique entre compression et extension.
Enfin, les chercheurs ont également trouvé que cette chute de pression correspondait exactement à celle que les roches enregistrent lorsqu’elles se fracturent en passant d’une compression à une extension, à une profondeur donnée. Contrairement à ce que l’on pensait jusqu’à présent, cette chute de pression serait donc compatible avec un comportement cassant plutôt que ductile.

Représentation de l’état de contrainte d’une roche dans un diagramme de Mohr. À une profondeur donnée, une roche subit une pression lithostatique. Lorsque la lithosphère est en compression, elle subit en plus des contraintes tectoniques (τ) qui font que la pression totale (centre du demi-cercle bleu) qu’elle enregistre augmente. Si cette contrainte devient trop forte, la roche se fracture et la pression totale enregistrable est donc égale à Pc (le pic de pression). À l’inverse, en extension, la roche subit des contraintes tectoniques opposées. Elle se fracture alors à une pression Pe. Sans changer de profondeur, une roche peut donc enregistrer une chute brutale de la pression ΔP, simplement en passant de compression à extension.

Cette étude apporte des informations importantes sur la façon dont les roches se déforment au sein des zones de subduction, sur l’amplitude des pressions tectoniques qu’elles peuvent supporter et sur la sismicité que cela peut engendrer. Elle suggère aussi que la conception actuelle de la dynamique des zones de subduction, un des concepts essentiels de la tectonique des plaques, mérite d'être reconsidérée sous cet éclairage.

Contact(s):
  • Philippe Yamato, Géosciences Rennes/OSUR
    philippe [dot] yamato [at] univ-rennes1 [dot] fr, 02 23 23 60 95
  • Jean-Pierre Brun, Géosciences Rennes/OSUR
    jean-pierre [dot] brun [at] univ-rennes1 [dot] fr, 02 23 23 60 75

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