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Héritage structural & déformation des continents

L’objectif de ce projet est d’étudier le rôle de la structure de la lithosphère continentale sur la déformation et les transferts de chaleur lors des stades initiaux du rifting. Nous voulons en particulier modéliser l’effet d’une anisotropie des propriétés mécaniques et thermiques de la lithosphère due aux orientations préférentielles des cristaux d’olivine formées lors des orogenèses plus anciennes et figées par la suite dans le manteau lithosphérique.

La tectonique de plaques est marquée des cycles d’ouverture et fermeture d’océans avec une réactivation systématique des anciennes zones de suture lors des nouveaux cycles. En effet, l’analyse des grands systèmes de rifts, comme les rifts initiaux de l’Atlantique ou le rift Est-Africain, montre qu’ils se forment, le plus souvent, parallèlement aux anciennes structures collisionnelles (Vauchez et al., 1997). L’étroite association spatiale et temporelle entre rifting et un important volcanisme intraplaque suggère aussi une relation de cause à effet entre les panaches et le rifting. Il y a toutefois un paradoxe entre la perturbation thermique et les contraintes axisymmétriques associées à un panache et la structure planaire des rifts.

Il existe donc un "guidage" mécanique qui conduit la rupture à se propager rapidement sur de très longues distances le long d’anciennes chaînes de montagnes. Nous avons proposé que ce "guidage" soit dû aux orientations préférentielles de réseau (OPR) de l’olivine formées lors des collisions puis fossilisées dans le manteau lithosphérique. Ces OPR sont à l’origine de l’anisotropie sismique mesurée dans les continents (variation de la vitesse de propagation des ondes sismiques en fonction de la direction de propagation ou de polarisation de ces dernières). En effet, l’olivine présente une forte anisotropie mécanique. Pour une même contrainte, les taux de déformation varient de plus de 2 ordres de grandeur en fonction de l’orientation du cristal, la déformation étant plus facile quand le plan (010) et la direction [100] sont alignés avec le plan et la direction de cisaillement, respectivement (Bai et al., 1991). La conduction de la chaleur est aussi anisotrope. Le développement d’une orientation préférentielle des cristaux d’olivine lors d’un épisode tectonique doit donc entraîner une anisotropie mécanique et thermique du manteau lithosphérique.

Pour tester cette hypothèse, nous avons simulé la déformation d’une lithosphère continentale anisotrope en réponse à une tension axisymétrique provoquée par la montée d’un panache (Tommasi et Vauchez 2001). Ces modèles (Fig. 3) montrent une déformation plus facile des domaines où les contraintes extensionnelles sont obliques à la structure préexistante. Dans ces domaines, la structure préexistante est réactivée en transtension. Les résultats de cette étude suggèrent que la présence dans le manteau d’une orientation cristallographique de l’olivine héritée d’épisodes de déformation passés crée une forte anisotropie de résistance mécanique des plaques continentales. Dans le cas d’une plaque soumise à des contraintes extensionnelles, cette anisotropie contrôle la localisation de la déformation, l’orientation des structures distensives (rifts) et le régime de déformation (transtension). Ce régime de déformation est, par exemple, dominant lors des stades initiaux de rifts menant à la désagrégation du Gondwana Est. Cette anisotropie mécanique peut aussi expliquer la réactivation systématique des anciennes zones de cisaillement lithosphériques (Vauchez and Tommasi, 2003).

Afin de modéliser le rifting d’une plaque continentale possédant une structuration tectonique (OPR d’olivine héritée des déformations passées), nous proposons donc de développer des modèles 3D multi-échelles dans lesquels un agrégat de cristaux d’olivine est associé à chaque nœud de calcul du modèle géodynamique. Cet agrégat se déforme sous l’effet du champ de vitesse local et, s’il possède une orientation préférentielle de réseau, il va conférer une viscosité anisotrope au milieu, qui est alors intégrée dans le calcul "grande déformation". Le couplage entre les deux modèles fait que les orientations préférentielles de réseau et donc, l’anisotropie, évoluent au cours de la déformation.

Ce travail est réalisé dans le cadre de la thèse de M. Knoll, co-orientée par A. Tommasi (Montpellier) et R. Logé (CEMEF). L’objectif de cette thèse est de modéliser la déformation d’une plaque continentale possédant une structuration tectonique (texture héritée). Les modèles couplés seront utilisés pour une étude systématique des interactions entre sollicitations mécaniques et structure préexistante, ainsi que du couplage texture-déformation pour les matériaux géologiques. Dans un deuxième temps, ces modèles devront aussi intégrer l’effet des textures sur les transferts anisotropes de chaleur (Gibert et al 2003a,b). Cette étude sera focalisée sur deux processus géodynamiques : le rifting et les grandes failles décrochantes.