Deformation conditions and 40Ar/39Ar dating of fault activity registered by phyllosilicates (clay minerals) in a sedimentary environment : examples of the south-verging thrust faults in the Pyrenees

par Ahmed Abd Elmola

Thèse de doctorat en Sciences de la Vie et de la Terre

Soutenue le 21-12-2017

à Bourgogne Franche-Comté , dans le cadre de École doctorale Carnot-Pasteur (Besançon ; Dijon ; 2012-....) , en partenariat avec Laboratoire chrono-environnement (Besançon) (laboratoire) , Université de Franche-Comté (Etablissement de préparation) et de Laboratoire Chrono-environnement / LCE (laboratoire) .

  • Titre traduit

    Conditions de déformation et datation 40Ar/39Ar de l'activité de failles enregistrées par les phyllosilicates (minéraux argileux) en environnement sédimentaire : exemples de failles chevauchantes du versant-sud Pyrénéen


  • Résumé

    La chaîne pyrénéenne présente des structures de déformation bien exposées et des roches sédimentaires syntectoniquesbien conservées qui en font un objet idéal pour étudier les failles. En effet, les textures, structures, compositions chimiques etisotopiques enregistrées par le coeur de la faille chevauchante peuvent renseigner sur les conditions et mécanismes de ladéformation et aussi contraindre dans le temps l’activité de la faille étudiée. Dans la présente thèse, trois chevauchements duversant sud Pyrénéen ont été étudiés pour mieux appréhender le comportement mécanique, chimique et isotopique desphyllosilicates dans des roches sédimentaires déformées. Ces roches sont d'âge éocène à triasique et sont impliquées dans degrand chevauchements (zone cisaillantes) à vergence sud. Ce travail combine observation pétrographique, analyse chimique,modélisation thermodynamique et technique de datation radiométrique 40Ar/39Ar sur des minéraux de moscovite/illite et dechlorite. La première faille étudiée est le chevauchement du Pic de Port Vieux (PPV), chevauchement de second ordre lié auchevauchement majeur de Gavarnie dans le sud-ouest de la Zone Axiale Pyrénéenne. Des mécanismes de pression-dissolutionet recristallisation, accompagnés d’interactions avec un fluide très réducteur sont les principaux paramètres responsables deschangements minéralogiques/chimiques observés dans la zone centrale de la faille. L'indice Kübler de la moscovite et lesdonnées thermométrique sur chlorite suggèrent des températures de 285°C ± 28°C pour l'activité de PPV. De plus, la datation40Ar/39Ar de la moscovite syn-cinématique indique que la faille a fonctionné il y a 36.9 ± 0.2 Ma, ce qui coïncide avec l’âge del'activité du chevauchement de Gavarnie. Les deux autres failles étudiées sont le chevauchement de Lakora qui est situé sur lebord sud de la zone Nord Pyrénéenne et celui de Monte Perdido (au niveau de Torla) situé dans la partie ouest de la zone Sud-Pyrénéenne. Ces deux chevauchements ont été affectés (déformés) par la mise en place de chevauchement de Gavarnie. Lesobservations pétrographiques et les analyses microstructurales ont démontré que la déformation est marquée par du plissement,du boudinage, par le développement d'une schistosité intense, de surfaces de cisaillement, de veines et par un enrichissement enphyllosilicates au coeur de la zone de faille des deux chevauchements. De manière similaire au chevauchement du Pic de PPV,les mécanismes de pression-dissolution et recristallisation sont les principaux mécanismes qui contrôlent la déformation et ilssont à l’origine de l'enrichissement en phyllosilicates néoformés dans les zones de failles des deux chevauchements. En se basantsur les mesures de l'indice de Kübler, il apparait que la déformation de Lakora et Torla s'est produite dans des conditions detempérature plus basse que celles enregistrées pour le chevauchement du PPV. Par ailleurs, es âges les plus jeunes obtenus parla technique 40Ar/39Ar ne peuvent être rattachés à l'âge de la déformation car ils sont plus vieux que les âges des sédimentsimpliqués dans les zones de faille. D'autres hypothèses sont proposées à la fin de cette thèse afin de comprendre les raisons decette incohérence dans les âges et afin de dater la déformation de Lakora et Torla. Ainsi l'ensemble des résultats de cette thèsemontrent que les minéraux phyllosilicatés peuvent être des outils thermochronologiques fiables permettant de dater avecprécision l'activité des failles lorsqu'ils ont été combinés avec des préparations d'échantillons précises et caractérisation détailléedes échantillons.


  • Résumé

    The Pyrenees belt features well-exposed deformation structures and well preserved syntectonic sedimentary rocksthat make it ideally suited to study thrust faults. The texture, structure and chemical-isotopic compositions of synkinematicphyllosilicates are widely used to estimate the deformation conditions-mechanisms and timing of fault activities. Therefore, inthe present thesis, three thrusts from the Pyrenean orogen have been studied to better understand the mechanical, chemical andisotopic behavior of phyllosilicates from deformed sediments of Eocene-Triassic age that have been involved in large southvergingshear zones. This work combined petrographic observation, chemical analyses, and thermodynamic modeling with40Ar/39Ar geochronology on muscovite/illite and chlorite. The first studied fault is the Pic de Port Vieux thrust (PPVT), a secondorderthrust related to the major Gavarnie thrust (GT) in the south-western part of the Pyrenees Axial Zone. The dissolutionrecrystallization,pressure solution mechanisms, and interaction with highly reductive fluids are the main parameters responsiblefor the mineralogical and chemical changes in the fault core zone. The Kübler index and chlorite thermometry suggest upperanchizoneto epizone conditions with a temperature of 285°C ± 28°C for the PPVT activity. Moreover, the 40Ar/39Ar step-heatingdating of synkinematic muscovite indicates that the fault activity occurred at 36.9 ± 0.2 Ma which coincides with the activity ofthe GT. The two other faults are: Lakora thrust that is located on the southern edge of the North Pyrenean Zone, and the MontePerdido thrust (Torla location) situated on the western part of the South Pyrenean Zone. The two thrust are affected (deformed)by the emplacement of the Gavarnie thrust. The petrographic-microstructural analyses on these faults demonstrated thatdeformation is marked by folding, boudinage, intense cleavage, shear surfaces/veins and enrichment of phyllosilicates in thefault zone of both thrusts. Similar to the PPVT, pressure-solution and dissolution-recrystallization mechanisms are the mainmechanisms that control deformation and enhanced the enrichment of the newly-formed phyllosilicates in the fault zones ofboth thrusts. Based on the Kübler index measurements, the deformation in the Lakora and Torla faults occurred at relativelylower temperature compared to the PPVT. The youngest total gas ages obtained by the 40Ar/39Ar technique are very old for theactivity time of both thrusts as they are older than the depositional ages of the sediments in the fault zones. Further investigationsare proposed at the end of this dissertation in order to better understand this anomaly in age and to successfully obtain the rightage of the two thrusts activity.Based on the results of this thesis, phyllosilicate minerals proved to be reliable thermochronological tools for fault activity atlow-grade metamorphism, when such tools are combined with careful sample preparations and detailed sample characterization.


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  • Sous le titre : Deformation conditions and 40Ar/39Ar dating of fault activity registered by phyllosilicates (clay minerals) in a sedimentary environment : examples of the south-verging thrust faults in the Pyrenees
  • Détails : 1 vol.(185p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.145-171. Annexes.
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