Thermo-mechanical evolution of the subcontinental lithospheric mantle in extensional environment : Insights from the Beni Bousera peridotite massif (Rif belt, Morocco)

par Erwin C. Frets

Thèse de doctorat en Géosciences

Sous la direction de Carlos Jesús Garrido Marín.

  • Titre traduit

    L’évolution thermo-mécanique du manteau lithosphérique sous-continental en contexte extensionnel : étude du massif de péridotites de Beni Bousera (chaine Rifaine, Maroc)


  • Résumé

    Les processus de déformation contrôlant l'amincissement de la lithosphère continentale sont encoremal contraints. Nos connaissances sont principalement basées sur la modélisation thermomécaniqued'extension à l'échelle de la lithosphere—utilisant des lois rhéologiques derivées expérimentalement,l'imagerie géophysique et l'analyse de xénolithes provenant de rift continentaux actifs à ce jour, tels quele Rift Est-Africain. L'originalité de ce travail reside dans l'étude des deux plus grands massifs depéridotites sous-continentales ayant enregistrées des conditions primaires du facies à diamant: lesmassifs de Beni Bousera au nord du Maroc et de Ronda au sud de l'Espagne, respectivement. Lesstructures et la zonation petrologique et métamorphique —impliquant une évolution polybarique etpolythermique— préservéees dans ces massifs offrent une opportunité unique pour étudier l'évolutionthermo-mécanique du manteau sous-continental dans un contexte extensif.Dans ce travail, nous avons étudié les mécanismes de déformation des péridotites et despyroxénites afin de contraindre les modes d'exhumation du manteau lithosphérique sous-continental,depuis des conditions du facies des lherzolites à grenat, jusqu'au facies à spinelle et enfin à plagioclase.Nous avons combiné la cartographie des faciès tectono-métamorphiques et des structures ductiles dedéformation, l'analyse des microstructures, la mesure d'orientations préférentielles de réseau (OPR), etla géothermobarométrie conventionelle couplée à la modélisation thermodynamique (PerpleX) afin decontraindre les conditions de pression et température de la déformation. Nous avons montré quel'exhumation précoce du facies à grenat au facies à spinelle était accomodée par une faille transtensiveaffectant le manteau lithosphérique. Dans ce contexte, la zonation tectono-métamorphique et legradient thermique important (ca. 100ºC/km) préservés à Beni Bousera résultent de la juxtapositionmécanique de domaines lithosphériques initialement équilibrés à différentes pressions et températures,fossilisée à une profondeur de ca. 60 km durant l'Oligocène supérieur (ca. 25 Ma). L'exhumation finaledu facies de lherzolite à spinelle au facies à plagioclase et l'emplacement final dans la croûte, mieuxenregistrés dans Ronda, se sont produits par inversion et plissement de la section lithosphériquefortement amincie dans un contexte arrière-arc, probablement lors du retrait vers le sud de lalithosphère subduite et la collision de l'arc avec les paléo-marges maghrébines au Miocène inférieur(21-23 Ma).


  • Résumé

    The mantle deformation processes that control the thinning and break-up of continentallithosphere remain poorly understood. Our knowledge is restricted to either lithospheric scalethermo-mechanical models —that use experimentally derived flow laws—, geophysicalimaging and/or rare xenoliths from active continental rifts, such as the East African Rift System.The originality of this work relies on the study of the two largest outcrops of diamond faciessubcontinental lithospheric mantle in the world: the Beni Bousera and Ronda peridotite massifsin N Morocco and S Spain, respectively. The structures and petrologic and metamorphic zoningpreserved in these massifs —implying a polybaric and polythermal evolution— provide aunique opportunity to investigate the thermo-mechanical evolution of thick subcontinentallithospheric mantle in extensional settings.In this thesis we studied the deformation mechanisms in both peridotites andpyroxenites to constrain the modes of exhumation of subcontinental lithospheric mantle fromgarnet-, to spinel-, and finally, to plagioclase lherzolite facies conditions. We combined fieldmapping of tectono-metamorphic domains and structural mapping of ductile structures,microstructural analysis, crystal preferred orientations (CPO) measurements and conventionalthermobarometric calculations and thermodynamic modeling (Perple_X) to unravel the pressureand temperature conditions of deformation. We showed that exhumation from garnet- to spinellherzolite facies conditions was accommodated by fast shearing —in thermal disequilibrium—along a lithospheric scale transtensional shear zone. In this context, the petrological zoning andthe large temperature gradient (ca. 100ºC/km) preserved in the Beni Bousera massif representthe mechanical juxtaposition of progressively deeper and hotter lithospheric levels at depths ofca. 60 km in the latest Oligocene (ca. 25 Ma). Final exhumation from spinel- to plagioclasefacies lherzolite and emplacement into the crust is best recorded in the Ronda massif where itoccurred by inversion and lithospheric scale folding of the highly attenuated continentallithosphere in a back-arc region, probably in relation with southward slab rollback andsubsequent collision with the palaeo-Maghrebien passive margin in the early Miocene (21-23Ma).


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