Evolution minéralogique et texturale des zones de cisaillement de la croûte granitique moyenne : implications géophysiques

Mineralogical and textural evolution of shear zones in the granitic middle crust : geophysical implications

• Auteur / Autrice : Thomas Leydier
• Direction : Philippe Goncalves, Julie Albaric
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et évolution de la terre
• Date : Soutenance le 03/07/2020
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Chrono-Environnement - Laboratoire Chrono-environnement - CNRS - UFC (UMR 6249) / LCE
• Jury : Président / Présidente : Olivier Fabbri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Goncalves, Julie Albaric, Olivier Fabbri, Hugues Raimbourg, Guilhem Barruol, Daniel R. Faulkner, Giorgio Pennacchioni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hugues Raimbourg, Guilhem Barruol

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cisaillement (géologie)

Mots clés libres

Zones de cisaillement

Interactions fragile-Ductile

Interactions fluides-Roche

Glissements lents

Anisotropie sismique

Pétrologie métamorphique

Shear zones

Brittle-Ductile interactions

Fluid-Rock interactions

Slow slip events

Seismis anisotropy

Metamorphic petrology

Résumé

L’étude géologique et géophysique de la croûte terrestre a révélé, au cours des dernières décennies, un comportement rhéologique et sismologique complexe. La surveillance géophysique des frontières de plaques tectoniques a en effet mis en évidence des phénomènes de glissements lents (SSE, Slow Slip Events) survenant à la base de la zone sismogène, et qui correspondent à la succession intermittente d’événements sismiques transitoires de "basse fréquence" (LFE, Low-Frequency Earthquakes), dont l’accumulation sur plusieurs jours/semaines permet des relâchements de contraintes équivalents à ceux de grands séismes. Toutefois, les processus physiques à l’origine des glissements lents restent mal contraints, car notre connaissance de leurs enregistrements géologiques est encore lacunaire.Notre étude consiste en une analyse pétrologique des zones de cisaillement, qui sont les structures majeures de localisation de la déformation dans la croûte moyenne à inférieure. Il est donc essentiel d’étudier les processus impliqués dans leur développement, et en particulier dans leur initiation, afin de déterminer si les SSE peuvent en être l’expression géophysique ; mais également d’améliorer notre capacité à les cartographier grâce aux méthodes d’imagerie géophysique passive, en quantifiant leur anisotropie sismique. Nous étudions pour cela des zones de cisaillement naturelles, fossilisées à divers stades de développement au sein de domaines peu déformés.L’étude pétrologique, microstructurale et de modélisation thermodynamique menée sur des zones de cisaillement centimétriques et sur leurs précurseurs fragiles montre que la déformation fragile et les interactions fluides-roche impliquées dans la formation des précurseurs fragiles surviennent sous les mêmes conditions pression-température que la localisation de la déformation ductile (0.5-1GPa, 450-550°C). La nucléation des zones de cisaillement sur ces précurseurs fragiles traduit donc une concomitance des déformations fragile et ductile, ainsi que d’intenses interactions fluides-roche, sous des conditions P-T correspondant aux conditions d’occurrence des SSE. Nous proposons donc que le développement court-terme des zones de cisaillement dans les domaines faiblement déformés de la croûte moyenne constituent un enregistrement géologique des SSE et, plus particulièrement, que les LFE sont la signature sismologique de la fracturation et des interactions fluides-roche liées à leur nucléation. Cela suggère que les SSE ne sont pas limités aux contextes de subduction et de frontière décrochante, mais peuvent également survenir en contexte orogénique.La quantification expérimentale et la modélisation EBSD de l’anisotropie sismique de zones de cisaillement métriques montre que l’anisotropie augmente sous l’effet de la déformation ductile jusqu’à environ 10%, mais ne suit pas une évolution linéaire du fait de la compétition entre la contribution des phyllosilicates et celle du quartz. La symétrie de la fabrique anisotrope évolue sous l’effet;et de la déformation, depuis une symétrie orthorombique vers une symétrie hexagonale, où la foliation constitue le plan de propagation rapide des ondes P et S, et de biréfringence maximale des ondes S. Nous proposons un nouveau modèle de zone de cisaillement tricouche, qui prend en compte la contribution majeure de la zone de déformation intermédiaire dans l’anisotropie des zones de cisaillement.

Geological and geophysical study of the Earth crust revealed, over the last decades, a complex rheological and seismological behavior. The geophysical monitoring of tectonic plates boundaries highlighted slow slip events (SSEs) occurring below the seismogenic zone, consisting in the intermittent succession of transient "low-frequency" seismic events (LFEs, Low-Frequency Earthquakes), whose accumulation over days/weeks allows stress releases comparable to those of big earthquakes. However, physical processes behind slow slips remain poorly constrained, since our knowledge of their geological record is still incomplete.Out study consists in a petrological analysis of shear zones, which are the main strain localization structures in the middle and lower crust. It is therefore crucial to study the processes involved in their development, and particularly in their nucleation, to determine whether SSEs are their geophysical expression; and to increase our ability to map them with passive methods of geophysical imaging, by quantifying their seismic anisotropy. In this goal, we study natural shear zones, fossilized at various stages of development within low strain domains.The petrological, microstructural study and thermodynamic modelling carried on centimeter-scale shear zones and on their brittle precursors show that brittle deformation and fluid-rock interactions involved in precursor forming occur at the same pressure-temperature conditions than ductile strain localization (0.5-1 GPa, 450-550 °C). Shear zones nucleation on brittle precursors therefore traduce the concomitance of brittle and ductile strain, and fluid-rock interactions, at P-T conditions similar to SSEs occurrence conditions. We suggest that the short-term development of shear zones in low-strain domains in the middle crust are a geological record of SSEs, and more particularly that LFEs are the seismological signature of fracturing and fluid-rock interactions involved in their nucleation. This suggests that SSEs are not restricted to subduction and strike-slip settings, but can also occur in orogenic settings.Quantification of meter-scale shear zones seismic anisotropy by laboratory experiments and EBSD-modelling shows that anisotropy increases with ductile strain, until ca. 10 %, but does not follow a linear evolution due to the competition between phyllosilicates and quartz. Symmetry of anisotropic fabrics evolves with strain from orthorombic to hexagonal symmetry, where the foliation is the fast propagation plane for P and S waves, and the plane of maximal shear wave splitting. We propose a new three-layered model for shear zones, which takes into account the major contribution of the intermediate strain zone in the seismic anisotropy of the whole shear zone.