A petro-chronological study of the Longmen Shan thrust belt (eastern Tibet) : geological inheritance and implication for the present geodynamics

Etude pétro-chronologique de la chaîne des Longmen Shan (Tibet oriental) : héritage géologique et implications pour la géodynamique actuelle Un des enjeux majeurs en Sciences de la Terre est la compréhension des mécanismes de déformation de la lithosphère continentale dans des zones de convergence. Le plateau Tibétain constitue un laboratoire naturel idéal pour l'étude des processus crustaux profonds actifs dans ces contextes, du fait de sa superficie et de son altitude remarquables. Le soulèvement et l'épaississement de la croûte Tibétaine ont été classiquement attribués aux effets de la collision Inde-Asie Tertiaire. Cependant, cette interprétation a été récemment mise en question par une série d’observations géologiques et géophysiques non concordantes, à différents endroits du plateau.L'objectif de cette thèse est de quantifier l’importance de l’héritage géologique dans la déformation à long-terme et à court-terme d’une chaîne active, en déchiffrant les différentes étapes de la structuration des Longmen Shan, la bordure la plus énigmatique du plateau Tibétain. Dans la chaîne des Longmen Shan la croûte Tibétaine est très épaissie (>60 km) et l'activité tectonique est localisée le long des failles d’échelle lithosphérique, comme démontré par les séismes de Wenchuan 2008 (Mw 7.9) et de Lushan 2013 (Mw 6.6). Un fort gradient topographique est présent, bien que les taux de convergence mesurés par GPS soient très faibles (<3 mm/an). Ces caractéristiques ne sont pas explicables par un modèle unique de déformation crustale, ce qui suggère une forte contribution de l'héritage géologique acquis avant la collision Inde-Asie dans la structure actuelle de la chaîne.Une étude pétro-chronologique qui combine des observations microstructurales avec la cartographie chimique des minéraux majeurs et accessoires, la modélisation thermodynamique et la datation in-situ par méthode 40Ar/39Ar et U-Pb/Th sur mica et allanite a été appliquée aux roches métamorphique à l’affleurement de chaque côté des faille majeures. L’analyse haute résolution montre que les minéraux métamorphiques dans la matrice des sédiments à grenat provenant des unités internes de la chaîne préservent dans leur composition le témoignage de différentes étapes du métamorphisme. Ceci s’explique par un rééquilibrage chimique incomplet en raison de la variabilité des fluides disponibles au cours du métamorphisme. Les différentes étapes du métamorphisme sont aussi enregistrées dans le signal 40Ar/39Ar des micas et dans la composition des minéraux accessoires.La compréhension des processus pétrologiques à petite échelle a été intégrée aux observations de terrain afin de quantifier l’épaississement de la croûte Tibétaine au Mésozoïque (> 30 km) et de mettre en évidence un saut métamorphique >150°C à travers les failles majeures, hérité de la tectonique Mésozoïque. Si les unités internes de la chaîne ont été fortement déformées, découplées du socle cristallin et métamorphisées à T ~580-600°C (P ~11 kbar), les unités externes apparaissent moins déformées et épaissies (T< 400°C, P< 5 kbar). Une exhumation partielle du socle depuis c. 20 km de profondeur a été également documentée à 120-140 Ma et reliée à un évènement tectonique méconnu auparavant.Cette thèse a ainsi permis de quantifier la durée et les conditions qui caractérisent les différentes étapes de la maturation de la chaîne: les unités internes atteignent la relaxation thermique 40 Ma après le début de la propagation du prisme orogénique. Le socle est réactivé 40 Ma plus tard, lorsqu’il atteint des conditions thermiques proches de celles de sa couverture sédimentaire. L’héritage géologique Mésozoïque contrôle fortement l’état thermique et rhéologique de la croûte supérieure au moment de la réactivation Cénozoïque ainsi que la structure actuelle de la chaîne.L’étude petro-chronologique de différents segments de la chaîne a aussi mis en évidence une segmentation métamorphique héritée du Mésozoïque qui correspond à la segmentation actuelle des failles. Ceci suggère que des structures héritées pourraient en partie contrôler la localisation des séismes récents.