Déformation dans le manteau partiellement fondu : observations dans des systèmes naturels

Deformation in a partially molten mantle; observations from natural settings : constraints from natural systems

• Auteur / Autrice : Katherine Higgie
• Direction : Andréa Tommasi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 13/12/2012
• Etablissement(s) : Montpellier 2
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GM - Géosciences Montpellier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Andréa Tommasi, Carlos Jesús Garrido Marín, Anne-Marie Boullier, David Mainprice, Andréa Tommasi, Jérôme Bascou
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Carlos Jesús Garrido Marín, Anne-Marie Boullier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Péridotite

Lherzolite

Roches -- Déformation

Terre -- Manteau

Terre -- Manteau supérieur

Mots clés libres

Manteau superior

Deformation

Olivine OPR

Magma roche

Upper Mantle

Deformation

Olivine CPO

Melt

Résumé

Déformation dans le manteau partiellement fondu: observations dans des systèmes naturelsNous avons analysé les interactions entre magmas et déformation dans le manteau supérieur par une étude microstructurale détaillée de deux sections de péridotites: un profil long de 100m dans le Moho – zone de transition croûte-manteau (MTZ) de l'Ophiolite d'Oman - et des lherzolites à plagioclase dans le massif de Lanzo (Alpes Occidentales). La section de la MTZ se caractérise par un litage à l'échelle cm à métrique ; les compositions varient de dunites à des gabbros à olivine. Le parallélisme entre le litage et la foliation, des limites de couche diffuses, et l'alignement de lentilles riches en plagioclase d'échelle mm impliquent un litage contrôlé par la déformation. Tous les minéraux majeurs ont des orientations préférentielles des cristaux (ou fabrique), mais la fabrique de l'olivine varie en fonction de la composition de la couche. Les lits avec <70% olivine montrent des fortes concentrations de l'axe [100] parallèle à la linéation (pattern axial-[100]). Les lits avec <50% olivine ont [100] dispersé dans la foliation et une concentration des axes [010] autours d'une direction normale à cette dernière (fabrique axiale-[010]). Ces changements ont lieu de façon répétée à l'échelle du mm, aux limites de couches, indiquant une déformation en présence de teneurs variables de magma. La fabrique dans les lits riches en olivine est cohérente avec déformation par fluage dislocation à haute température. Les fabriques d'olivine avec une symétrie axiale-[010] dans les lits pauvres en olivine impliquent une transpression ou un glissement le long de limites de grain (010) « lubrifiés » par du magma; elles sont accompagnées par une activité accrue du glissement [001]. Parce que le changement des fabriques d'olivine n'est pas associé à une dispersion de ces dernières, les teneurs instantanées de magma doivent être <30-40%. La variation continue de la symétrie de la fabrique d'olivine CPO avec la décroissance de la teneur en olivine implique que la fabrique dépend de la déformation finie cumulée en présence de magma, plutôt que de la teneur instantanée de magma.Les lherzolites à plagioclase de Lanzo se caractérisent par un réseau anastomosé de bandes riches en plagioclase, qui passe localement à un litage planaire avec des bords diffus. Olivine et orthopyroxene montrent des évidences de déformation par fluage dislocation à haute temperature: extinction onduleuse, sous-grains ou kinks, des limites de grain irréguliers. Le plagioclase forme des agrégats allongés composés par des cristaux avec des formes interstitielles. Tous les minéraux majeurs (à l'exception du clinopyroxene) ont une claire fabrique cristallographique, indépendamment de la composition de la couche. La fabrique de l'olivine CPO a une symétrie orthorhombique, avec [100] parallèle à la linéation et [010] normal à la foliation (et au litage), mais les maxima de [010] sont toujours plus forts que ceux de [100]. Les fabriques d'olivine sont donc intermédiaires entre les deux patterns observés en Oman, ce qui est cohérent avec le litage plus diffus observé à Lanzo. Ces données impliquent que dans un manteau soumis à une déformation cisaillante, les magmas tendent à se concentrer dans des bandes parallèles au plan de cisaillement, formant un réseau anastomosé qui peut évoluer dans un litage planaire. Les fractions instantanées de magma restent faibles (inférieures au seuil pour la disruption de la matrice solide) – la déformation est donc accommodée largement par fluage dislocation. La présence de magmas produit toutefois un changement dans la symétrie des fabriques d'olivine – produisant des patterns axial–[010] et donc dans une anisotropie sismique différente. La ségrégation du magma et le développement d'un litage compositionnel contrôlé par le cisaillement peut aussi créer une anisotropie mécanique, avec une réduction de la viscosité cisaillante parallèlement aux bandes.

Deformation in a shallow partially molten mantle: constraints from natural systemsWe analysed the interactions between melts and deformation in the upper mantle through detailed microstructural studies in two settings: a 100m section in the Moho Transition Zone (MTZ) of the Oman Ophiolite and plagioclase-rich lherzolites from the Lanzo massif (Alps). The MTZ section is characterized by a cm to m-scale layering; compositions range from dunites to gabbros à olivine. Parallelism between the layering and the foliation, diffuse layers limits, and alignment of mm-scale plagioclase-rich lenses in intermediate composition layers imply shear-controlled layering. All phases have crystal-preferred orientations (CPO), but olivine CPO varies depending on the layer composition. Layers with <70% olivine show strong [100] maxima parallel to the lineation (axial-[100] pattern). Layers with <50% olivine have [100] dispersed in the foliation and concentration of [010] normal to it (axial-[010] pattern). These changes occur repeatedly on the mm-scale, at the layers limits, providing strong evidence for deformation in presence of variable melt fractions. CPO in olivine-rich layers is consistent with high-temperature dislocation creep. Axial-[010] olivine CPO patterns imply transpression or sliding along preferentially-wetted (010) grain boundaries in melt-rich layers; they are accompanied by increased activity of [001] glide. Since the change in CPO symmetry is not associated with dispersion, instantaneous melt fractions must have remained <30-40%. The continuous variation in olivine CPO symmetry with decreasing olivine content implies therefore that the CPO depends on the strain cumulated in presence of melt rather than on the instantaneous melt fraction.Plagioclase-rich lherzolites in Lanzo are characterized by an anastomozed network of plagioclase-rich layers, which locally grades into a diffuse cm-scale planar compositional layering. Olivine and orthopyroxene show evidence for deformation by dislocation creep under high temperature conditions: undulose extinction, subgrains or kinks, sutured grain boundaries, but plagioclase forms elongated aggregates of crystals with interstitial shapes. All major phases (except clinopyroxene) show clear CPO, independent of the layer composition. The olivine CPO has an orthorhombic symmetry, with [100] parallel to the lineation and [010] normal to the foliation (and to the layering), but [010] maxima are stronger than [100] ones. These olivine CPO are intermediate between the two patterns observed in the Oman MTZ, consistently with the less developed segregation in Lanzo. Together these data imply that melts tend to concentrate in bands aligned in the shear plane, forming an anastomosed network that may grade with increasing shear into a planar layering. Instantaneous melt fractions remain below the solid matrix disruption threshold; the deformation is still essentially accommodated by dislocation creep in the solid matrix. Deformation in presence of melt results, however, in different olivine CPO with axial–[010] patterns and hence in a different seismic anisotropy. Shear-controlled compositional layering may also create a mechanical anisotropy, with a directional reduction of the shear viscosity parallel to the bands.