Rheological Behavior of the continental crust under HT/UHT conditions : Tectono-metamorphic and geodynamic evolutions of the paleoproterozoic Khondalite Belt (North China Craton)
Comportement rhéologique de la croûte continentale en conditions HT/UHT : Étude tectono-métamorphique de la ceinture paléoprotérozoïque de la ceinture de Khondalite (Craton de Chine du Nord).
Résumé
The Paleoproterozoic Khondalite belt exposes a mid to lower continental crust made of HT-UHT migmatites, numerous granite and gabbronorite intrusions. It represents an ancient analogous of the actual orogenic crust involved in large subduction-collision belt and orogenic plateau like the Andes or the Himalaya-Tibet system, respectively. In this PhD thesis, a tectono-metamorphic study of the Khondalite, based on multi-scale structural analysis, P-T modeling and petrochronological new results, is presented. Our results allow to a strong reappraisal of the geodynamic setting of the Khondalite belt and bring new insights to the knowledge of the thermomechanical of the deep and partially molten crust.The structural analysis yields to the recognition of two main deformation events, D1 and D2. The D1 deformation shows a subhorizontal S1 foliation holding a mineral and stretching sub-horizontal to gently dipping L1 lineation, underlined by elongated garnet grains and sillimanite. The D2 deformation is represented by three planar fabrics drawing an anastomosed system with a N70°E trending subvertical S2 foliation and shear zones that trend N90°E (C2) and N120°E (C’2). These C2/C’2/S2 relationships emphasize a bulk dextral progressive D2 kinematics. A microstructural study and EBSD analysis of different garnet-type occurrences show different constrictional and flattening finite strain patterns in abundant garnet bearing migmatites. Within the flat D1 foliation, two main garnet typologies are described characterized by elongated grain with sillimanite, biotite and quartz inclusion or forming a biphased garnet-quartz agregate with poecilithic garnet grains. EBSD result reveals that garnet grains were plastically deformed. Using pseudosection modeling, we characterized low melt amount under UHT conditions during the garnet and garnet-quartz deformation. Power flow laws are used to model the garnet and garnet-quartz aggregate viscous shear strength at HT-UHT conditions. It reveals that garnet was as weak phase as quartz and that garnet-quartz aggregate strength is similar to quartzo-feldspathic assemblage under UHT conditions.The UHT metamorphism of the Khondalite Belt is observed regionally within both S1 and S2 suprasolidus foliations. These UHT conditions were the result of an increase of temperature within the orogenic system in response of juvenile gabbroic injections and asthenospheric upwelling in the continental arc setting. We discovered two novel orthopyroxene + spinel + cordierite and orthopyroxene + spinel + olivine UHT metamorphic assemblages that characterized UHT conditions of ~0.6–0.8 GPa, and a maximum temperature of 1,050°C within Fe-rich migmatites. These assemblages originated from UHT metamorphism of residual granulites in response to gabbronorite intrusions along D2 vertical pathways. Indeed, the structural and petrological results show that during the D2 deformation, melt migration was very efficient with the formation of a melt network within metatexites. The new subvertical S2 foliation facilitates melt migration, with the formation of diatexites and S-type granites in melt percolation domains and of residual granulites in melt depleted domains.The D1 deformation is interpreted as an evidence for mid to lower lateral crustal flow in Andean-type continental magmatic arc setting between 1.94 Ga and 1.90 Ga. The progressive D2 deformation occurs firstly with a mid-ocean ridge subduction responsible for HT conditions within the arc at 1.92 Ga. Secondly, the collision between the magmatic arc and the Fuping continent developed progressively an anastomosed system of shear zones in a bulk dextral transpressional setting at ca. 1.90-1.89 Ga.
La ceinture de Khondalite est une chaîne paléoprotérozoïque où affleure très largement une croûte continentale profonde migmatitique ayant enregistré un métamorphisme HT/UHT contemporain de l’intrusion de nombreux corps gabbronoritiques et granitiques. Cette croûte partiellement fondue constitue un analogue ancien de la croûte orogénique constituant le cœur actuel des grandes chaînes de subduction-collision et de plateaux tels que les Andes ou l’Himalaya et le Tibet et de chaînes anciennes telles que la chaine Varisque Européenne.Le métamorphisme enregistré par les migmatites révèle des conditions de température extrêmes supérieures à 900°C. Ce métamorphisme UHT est caractérisé par des trajets Pression-Température en refroidissement isobare à des pressions comprises entre 0.6 et 0.8 GPa pour des températures culminant jusqu’à 1050°C. L’originalité de ce travail de thèse est la présentation de deux nouveaux assemblages métamorphiques caractéristiques de condition UHT dans une migmatite riche en Fe. Ces assemblages exotiques sont présents sous forme de symplectites dans la roche et sont constitués d’orthopyroxène + spinelle + cordiérite et d’orthopyroxène + spinelle + olivine.Une étude tectono-métamorphique a permis de contraindre l’évolution spatiale et temporelle du métamorphisme de UHT afin de tenter de définir les différentes sources de chaleur à son origine. Cette étude apporte également des éléments sur le comportement rhéologique de la croûte partiellement fondue au cours de l’histoire orogénique à l’échelle de cette chaîne. L’architecture de la ceinture de Khondalite est structurée par deux phases majeures de déformation ductile, caractérisées par plusieurs fabriques planaires [...]Une étude microstructurale vient renseigner les impacts des transformations minéralogiques sur le comportement rhéologique du squelette minéral des migmatites au cours de la fusion partielle et de la déformation de haute à ultra haute température. Cette étude s’intéresse à la réaction de fusion partielle par déshydratation de la biotite qui produit le liquide silicaté des migmatites ainsi que du grenat. Ce dernier est très présent dans les migmatites et présente parfois des formes en constriction ou en aplatissement. L’étude microstructurale décrit la déformation ductile sous des conditions de hautes à ultra-hautes températures du grenat et l’évolution des agrégats de sillimanite et de la cohésion du squelette minéral au cours de la fusion partielle.La déformation D1 est interprétée comme le témoignage d’un fluage latéral de la croûte profonde en contexte d’arc magmatique de type-Andes entre 1.94 Ga et 1.90 Ga. La déformation D2 serait quant à elle progressive, avec dans un premier temps une évolution en contexte d’arc magmatique avec la subduction d’une ride océanique à l’origine d’une phase de compression HT dans l’arc à 1.92 Ga. Puis dans un second temps, la collision entre l’arc et le continent du Fuping développerait le système de zones de cisaillement anastomosées en contexte transpressif dextre jusqu’à 1.90-1.89Ga. Le métamorphisme UHT de la ceinture de Khondalite peut s’observer dans toute la chaîne à la faveur de la S1 et de la S2 suprasolidus. Ces conditions de UHT serait provoquées par une augmentation de chaleur en réponse à l’injection de magma juvénile et d’une remontée de l’asthénosphère au cours du retrait progressif de la plaque subduite. Dans la S2 suprasolidus, la fusion partielle des granulites résiduelles, dans lesquelles la ségrégation de liquide permet de former une migmatite avec un mélanosome également très réfractaire, engendre l’enregistrement d’assemblages métamorphiques de UHT. Dans ces contextes, la source de chaleur pour ce métamorphisme UHT correspond à l’injection de plutons de gabbronorites suite à la subduction de la ride océanique à 1.92 Ga.
Origine : Version validée par le jury (STAR)