Thermal and mechanical evolution of shear zones : analytical and numerical approaches, and confrontation with the field data.
Évolution thermique et mécanique des zones de cisaillement : approche analytique et numérique, et confrontation aux données de terrain.
Résumé
Shear zones are common structural features in the lithosphere and occur at various scales (from microscopic to lithospheric). At the lithospheric scale, they concentrate most of the relative movements between tectonic plates, and therefore, accommodate a high amount of strain. Consequently, the understanding of both their spatial and temporal mechanical behaviour is crucial for the general knowledge of the lithosphe dynamics.
Rheology of rocks, which define their mechanical behaviour, is controlled by physical laws that predict how they deform under some stresses. Temperature plays a major role in the creep-dislocation behaviour, which characterizes the ductile domain (in depth), decreasing efficiently the rock strength. Furthermore, each rock has intrinsic mechanical properties, which depend on its mineralogical composition, texture and internal structures. However, due to the lack of data directly measurable deeper than a few kilometres, the lithosphere rheology, and in particular the continental lithosphere remains subject to drastically different interpretations. The mechanical behaviour of major shear zones is not fully understood, as they are the location of intense changes of both the rock internal nature and major thermal perturbations. Especially, the mechanical energy, converted into heat (shear heating) causes a close interaction between thermal ad mechanical evolutions.
This thesis aims to better understand the rheological state of lithospheric scale shear zones. For this purpose, we used an original approach, based on the temperature field evolution around and within such shear zones. From 2-D numerical thermo-kinematic models and ana- lytical developments, the first order variability of thermal evolution and perturbation is analysed and quantified with respect to the impact of three major thermal processes, defined as diffusion, advection and shear heating. Results are compared to metamorphic thermal signatures associated to intra-continental thrust zones for which the influence of both accretion and erosion was also investigated. The case of the Main Central Thrust (MCT) in the Himalayas, whose the inverse metamorphic thermal zonation has been extensively studied, was chosen as the main natural analogue.
Our quantitative results highlight the crucial role of shear heating, and more particularly of mechanical strength variability within shear zones. We thus emphasise on the importance of rock creep parameters. The study of centimetre-scale shear zones, which developed within the granodiorite of the Zillertal nappe (Tauern window, Tyrol, Alps) thanks to little local variations of the mineralogical composition, reveals the extreme sensitivity of igneous rocks rheology, representative of the continental crust. The consequences of such an intense variability, revealed at small scale are finally discussed with regard to rheologies usually considered in models that focus on processes controlling lithosphere dynamics.
Les zones de cisaillement constituent des objets structuraux communs de la lithosphère, et sont présentes à toutes les échelles d’observation (microscopique à lithosphérique). À grande échelle, elles sont le siège principal des déplacements entre plaques tectoniques et par là-même accommodent de grandes quantités de déformation. La compréhension de leur comportement mécanique dans le temps et l’espace est donc essentielle pour la connaissance générale de la dynamique de la lithosphère.
La rhéologie des roches, qui définit leur comportement mécanique, est régie par les lois physiques qui établissent la manière dont celles-ci se déforment lorsqu’elles sont soumises à des contraintes. La température joue un rôle majeur sur la loi de comportement par fluage-dislocation qui caractérise le domaine ductile (en profondeur), réduisant alors efficacement la résistance mécanique des roches. Chaque roche possède en outre des propriétés mécaniques intrinsèques qui varient en fonction de sa composition minéralogique, de sa texture et de sa structure interne. Or, en l’absence de grandeurs directement mesurables au-delà de quelques kilomètres, la rhéologie de la lithosphère, et plus particulièrement de la lithosphère continentale, demeure sujette à diverses interprétations drastiquement différentes. Le comportement mécanique des zones de cisaillement majeures qui la traversent est d’autant plus méconnu qu’elles sont le siège d’intenses changements de la nature des roches et de perturbations thermiques majeures. En particulier, l’énergie mécanique qui y est convertie en chaleur (shear heating) peut engendrer une étroite interrelation entre évolutions thermique et mécanique.
Ce travail de thèse a pour objectif premier de contribuer à la connaissance générale de la rhéologie des zones de cisaillement d’échelle lithosphérique. Pour y répondre, une approche originale a été mise en place, se basant sur l’évolution du champ thermique aux abords et au sein des zones de cisaillement. Sur la base de modèles numériques thermo-cinématiques 2-D et de développements analytiques, la variabilité de premier ordre de l’évolution et de la perturbation thermique est analysée et quantifiée au regard de l’influence des trois processus thermiques majeurs que sont la diffusion, l’advection et le shear heating. Les résultats sont confrontés aux signatures thermiques métamorphiques associées aux zones de chevauchement intra-continentales pour lesquelles les influences des processus d’accrétion et d’érosion sont également examinées. Le cas du Main Central Thrust (MCT) en Himalaya, dont la zonation thermique métamorphique inverse est particulièrement bien développée et documentée, est pris comme exemple de référence.
Nos résultats quantitatifs mettent en avant le rôle crucial du shear heating, et plus particulièrement de la variabilité de la résistance mécanique des zones de cisaillement. L’accent est mis sur l’importance des paramètres de fluage des roches. L’étude de zones de cisaillement centimétriques développées au sein de la granodiorite du Zillertal (fenêtre des Tauern, Tyrol, Alpes) à la faveur de faibles variations de la composition minéralogique révèle l’extrême sensibilité de la rhéologie des roches ignées représentatives de la croûte continentale. Les conséquences de cette variabilité intense révélée à petite échelle sont finalement discutées au regard des rhéologies classiquement considérées dans les modèles qui s’intéressent aux processus qui régissent la dynamique de la lithosphère.