Quand les cristaux de péridot (Olivine) "orientent" les plaques tectoniques.

Publié le par Cristal

Du cristal de Péridot aux propriétés des plaques tectoniques tout est lié !

[23-06-2009]

Les forces mises en jeu par la tectonique des plaques réactivent d'anciennes structures héritées d'événements géologiques anciens. Cela peut se traduire par l'apparition d'une rupture continentale (ouverture d'un rift) le long d'une ancienne zone de collision ou par de l'activité sismique ou volcanique loin des limites de plaque actives. Dans une publication parue récemment dans Nature Geoscience, des chercheurs de Géosciences Montpellier (INSU-CNRS, Montpellier 2) et leurs collègues du Centre de Mise en Forme des Matériaux de Sophia Antipolis (CNRS-MinesParisTech) et de l'Instituto de Fisica de Rosario (Argentine, collaboration CNRS-CONICET) montrent que de telles réactivations sont liées à l'orientation préférentielle des cristaux d'olivine qui composent le manteau lithopsérique.

La tectonique oriente les cristaux d'olivine du manteau
L'olivine est le principal minéral (50-70% vol.) du manteau supérieur et son comportement contrôle la déformation des plaques lithosphériques. Des études expérimentales ont montré que la déformation plastique du cristal d'olivine est très anisotrope, c'est-à-dire que pour une même contrainte les vitesses de déformation varient de plus de 2 ordres de grandeur selon la direction d'application. Cette anisotropie fait que lors de la déformation du manteau, les cristaux d'olivine tendent à s'orienter. Comme la déformation élastique de l'olivine est aussi très anisotrope, les ondes sismiques se déplacent à des vitesses différentes selon leur direction de propagation ou de polarisation, on parle alors d'anisotropie sismique.

Depuis plus de 25 ans, la mesure de l'anisotropie sismique est utilisée pour cartographier les orientations cristallographiques de l'olivine dans le manteau. Cette anisotropie est généralement forte sous les chaînes de montagnes, indiquant que les déformations dans les limites de plaques convergentes ou décrochantes induisent des orientations préférentielles des cristaux d'olivine dans le manteau lithosphérique, cohérentes sur des échelles de 100 à 1000 km.

Ces observations ont conduit les auteurs à proposer dès 1998 (Vauchez et al. 1998, Terra Nova) que la réactivation presque systématique d'anciennes chaînes de montagnes lors des processus d'ouverture continentale (rifting) était due à un comportement mécaniquement anisotrope des plaques continentales, du fait d'une orientation préférentielle des cristaux d'olivine héritée des épisodes tectoniques antérieurs.

Péridot et tectonique des plaques

 

 


Le bloc diagramme en couleur représente la plaque lithosphérique soumise à une expérience d'étirement. En rouge les zones où l'olivine est initialement orientée aléatoirement et qui sont par conséquent moins déformées, en bleu la zone qui a subi antérieurement un cisaillement et où les cristaux d'olivines ont déjà été orientés et déformés. L'expérience montre qu'en soumettant la plaque à une extension dans la direction des flèches gris clair, la nouvelle déformation se localise sur l'ancienne zone déformée, bleue, et que les cristaux d'olivine se réorientent et se concentrent encore plus pour accommoder la nouvelle déformation. Le schéma en bas à gauche représente un cristal d'olivine avec les différents plans de glissement repérés par leur notation cristallographique. Les diagrammes d'en haut montrent statistiquement l'orientation des cristaux d'olivine avant l'expérience. Les sphères d'en bas à droite montrent les orientations des mêmes cristaux après. On constate que la déformation a concentré et a légèrement tourné les cristaux.
© Tommasi et al.2009

Des modèles numériques pour passer de l'échelle du cristal à l'échelle de la plaque tectonique
Cette hypothèse implique que la déformation à grande échelle des plaques tectoniques est contrôlée par l'anisotropie intrinsèque de l'olivine, c'est-à-dire par des processus à l'échelle du cristal. Pour tester et valider cette hypothèse les auteurs ont développé des modèles numériques originaux où les différentes échelles de déformation s'emboitent du cristal à la plaque tectonique. Ces modèles simulent la déformation de chaque élément d'une plaque continentale composé d'un agrégat de 1000 cristaux d'olivine, afin de prédire l'évolution des orientations des cristaux et l'anisotropie mécanique qui en découle en tous points de la plaque.

Sur ce principe, la déformation en extension d'une plaque continentale possédant un ancien décrochement d'échelle lithosphérique a été étudiée. Les modèles montrent que (1) la déformation se localise dans les domaines où le manteau lithosphérique a déjà été déformé et (2) cette réactivation se caractérise par une déformation avec une composante cisaillante parallèlement aux structures préexistantes.

Ces résultats suggèrent que l'anisotropie de déformation du cristal d'olivine joue un rôle fondamental dans la tectonique des plaques, car elle pilote la réactivation des structures préexistantes, comme les chaînes de montagnes ou les grands décrochements. En effet, les orientations préférentielles des cristaux d'olivine figées dans le manteau lithosphérique contrôlent la localisation et l'orientation de zones de déformation intraplaque, qui peuvent évoluer et former des nouvelles limites de plaque.

Glissement plaques Atlantique Nord
Carte simplifiée montrant le parallélisme entre les structures néoprotérozoïques, calédoniennes et hercyniennes en Amérique du Nord, Afrique et Europe (indiquées par des tiretés verts) et le rifting (ouverture continentale) à l'origine de l'Atlantique Central et Nord. Les cercles rouges marquent les positions probables d'impact de panaches de matériaux chaud en provenance du manteau. Les inserts montrent les relations temporelles entre les panaches et le rifting
© (Tommasi & Vauchez EPSL 2001).

 


Des structures géologiques réinterprétées
L'anisotropie mécanique induite par l'orientation préférentielle de l'olivine dans le manteau permet ainsi d'expliquer un grand nombre d'observations géologiques :

- Ainsi la formation préférentielle des rifts continentaux le long d'anciennes chaînes de montagnes, telle l'ouverture de l'Atlantique qui réactive, au sud, des chaînes d'âge Néoproterozoïque (750-600 millions d'années) au Brésil et Afrique, et, dans sa partie centrale et nord, les structures des chaînes Hercynienne et Calédonienne (>250 Millions d'années).

- Parce qu'elle produit naturellement un cisaillement parallèlement aux structures réactivées, l'anisotropie mécanique associée à des grandes failles lithosphériques et chaînes de montagnes favorise les mouvements décrochants, qui ne sont pas produits directement par les mouvements de convection du manteau, mais qui ont un rôle fondamental dans la tectonique de plaques.

- Enfin, l'anisotropie mécanique, en favorisant la réactivation d'anciens décrochements, pourrait aussi expliquer les zones de sismicité intraplaque, telle l'activité sismique en Bretagne le long de la faille sud-armoricaine d'âge hercynien.

 

 

 

Source
Structural reactivation in plate tectonics controlled by olivine crystal anisotropy. Tommasi, A.; Knoll, M.; Vauchez, A.; Signorelli, J.; Thoraval, C.; Logé, R. (2009) Nature Geoscience, 2: 423-427, doi: 10.1038/NGEO528

 

 

Publié dans Cristaux et sciences

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