Déformation et transformations du plagioclase sous contrainte : implications pour la rhéologie de la croûte continentale inférieure à haute pression

Deformation and transformations of plagioclase under stress : implications for the rheology of lower continental crust

• Auteur / Autrice : Marie Baïsset
• Direction : Loïc Labrousse, Alexandre Schubnel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géologie
• Date : Soutenance le 25/01/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre de Paris (2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Claudio Rosenberg
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laura Airaghi, Luca Menegon, Nadège Hilairet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jörg Hermann, Jörg Renner

Mots clés

Mots clés contrôlés

Pétrologie

Rhéologie

Plagioclases

Néotectonique

Croûte continentale

Mots clés libres

Expérimental

Plagioclase

Rhéologie

Cinétique

Pétrologie

Zoisite

Experimental

Plagioclase

Rheology

Kinetics

Petrology

Zoisite

Résumé

Le feldspath plagioclase est un minéral dont le comportement mécanique est fondamental si l'on souhaite comprendre comment se déforme la croûte continentale inférieure, dont il constitue la majeure partie, en particulier dans les zones de convergence, où les conditions de pression, de température, ainsi que le taux d'hydratation et les vitesses de déformation varient. La présente étude a pour objectif d'apporter des contraintes sur le comportement rhéologique et la résistance effective de la croûte continentale inférieure, en particulier lorsqu’elle subit des transformations minéralogiques, via l'étude du plagioclase qui la constitue, à la fois par le biais d'observations d'échantillons naturels et d'expériences de déformation. Nous avons dans un premier temps réalisé une étude pétrologique détaillée des réactions d'éclogitisation qui affectent les digitations éclogitiques statiques dans les anorthosites granulitiques du massif d'Holsnøy, dans les Calédonides Scandinaves de Norvège, qui constituent des blocs de croûte continentale inférieure aujourd'hui exhumés après avoir été enfouis à haute pression. La cristallisation de la zoisite a un impact majeur sur le comportement mécanique du plagioclase. Elle crée des distorsions du réseau cristallin qui agissent comme des défauts et engendrent la formation de macles de déformation, en fonction de l’orientation des cristaux dans le champ de contrainte global. Des liserés d’analcime observés aux joints de grains sont interprétés comme la trace d’une phase fondue cogénétique de ces zoisites. La réduction de la taille des grains qui fait suite aux transformations et au maclage sous contrainte ainsi que la présence de cette phase fondue, contribuent avec les changements de volume associés aux réactions, à la création de contrastes rhéologiques prédisposant ces roches à la localisation de la déformation. Dans un deuxième temps, nous avons réalisé des expériences de déformation à différentes conditions de pression, température et contenu en eau, à la fois hors et dans le champ de stabilité du plagioclase de ces mêmes anorthosites. Les résultats montrent que lorsque les joints de grains sont saturés en eau, la déformation des agrégats est dominée par le fluage dislocation indépendamment du taux de réaction, et que leur résistance est faible. Lorsque la quantité d’eau dans les échantillons est plus faible en revanche, deux comportements apparaissent : une déformation semi-cassante par fluage cataclastique à des contraintes élevées lorsque les taux de réaction sont très faibles, et un comportement frictionnel instable à plus faible résistance lorsque les quantités de réaction sont de l’ordre de quelques %. Ces instabilités mécaniques ne sont observées que pour des vitesses de déformation suffisamment faibles, et des taux de réaction suffisamment importants mais qui restent limités. Enfin, une série d'expériences de réaction en conditions hydrostatiques de différentes durées à haute pression, haute température et différents contenus en eau nous a permis d'entrevoir que le champ de conditions P-T-t-XH2O pour étudier la cinétique des réactions d'éclogitisation en laboratoire est très limité si on veut éviter la fusion partielle et pouvoir quantifier cette cinétique sur des durées expérimentales. Cette étude nous a permis de mettre en évidence des différences majeures entre la réactivité du système calcique et sodique du plagioclase, en particulier la difficulté de nucléation de la jadéite comparée à la zoisite, également observée dans les roches naturelles. Cette différence apparait fondamentale pour le comportement des roches riches en plagioclase hors de leur champ de stabilité, car elle induit la persistance aux joints de grain d’une phase moins résistante que le plagioclase initial (ensemble albite-zoisite et même localement phase fondue), de faible taille caractéristique, qui permet d'entretenir des contrastes de résistance dont les conséquences mécaniques peuvent être importantes.

The mechanical and kinetic behavior of plagioclase feldspar is of major importance for the understanding of lower continental crust rheological behavior, as it constitutes the major part of its mineralogical structure. In particular in convergence zones, where it suffers pressure, temperature and water content changes, as well as strain rate increase. The present study aims at providing more constraints on the rheological behavior and effective strength of the lower continental crust, especially when it undergoes mineralogical transformations, through the study of plagioclase, one of its main rock-forming minerals. In this perpective, both petrological observations on natural samples, and deformation experiments realized.First, we carried out a detailed petrological study of the eclogitization reactions affecting eclogitic fingers in the granulitic anorthosites of the Holsnøy massif, in the Scandinavian Caledonides of Norway, which constitute blocks of exhumed continental lower crust that have been buried at high pressure. Crystallization of zoisite, both at grain boundaries and inside plagioclase grains, has a major impact on the mechanical behavior of plagioclase by creating distortions in the crystal lattice that act as defects and lead to the formation of mechanical twins, depending on the initial orientation of the crystals in the far field stresses of the outcrop. The initial grain boundaries of the granulite are decorated by an analcime-kyanite paragenesis that suggests a partial melting event that could have affected the transforming rocks near the P-T conditions of peak metamorphism. Grain size reduction that followed transformation and twinning under stress, as well as grain recrystallization from a melt, contributes to the creation of rheological contrasts in these rocks that predispose them to potential further localization of the deformation. Second, we performed deformation experiments at different pressure and temperature conditions and different water contents, outside and inside the plagioclase stability field of the anorthosites studied in the previous part. The results show that when grain boundaries are water-saturated, the deformation of the aggregates is dominated by dislocation creep and their strength is low, whatever the reaction rate. When the amount of water in the samples is very limited, on the other hand, two behaviors have been identified: semi-brittle deformation by cataclastic flow at high stresses when reaction kinetics are very low, and unstable frictional behavior at lower strength when the reaction rates are of the order of a few %. These mechanical instabilities are observed only for sufficiently low strain rates, and sufficiently high reaction kinetics, with reaction rates that remain limited. Eventually, a series of reaction experiments under hydrostatic conditions of different durations at high pressure, high temperature and different water contents allowed us to see that the range of P-T-t-XH2O conditions to study the kinetics of eclogitization reactions in the laboratory is very limited if we want to avoid partial melting and to be able to quantify these kinetics over experimental durations. This study also allowed us to highlight major differences between the reactivity of the calcic and sodic systems of plagioclase. In particular, the difficulty of jadeite nucleation compared to zoisite, which is also observed in natural rocks, appears fundamental for the behavior of plagioclase-rich rocks outside their stability field because it induces the persistence at grain boundaries of phases of very small grain size, weaker than initial plagioclase (albite-zoisite association plus melt locally). Strength contrasts are therefore created, that can have important mechanical consequences on the rocks.