Je travaille sur différents thèmes, qui tous tournent plus ou moins autour du comportement et de la pétrologie de la croûte continentale chaude et/ou profonde, et en particulier de ce qui se passe quand cette croûte fond, c’est-à-dire quand on forme des magmas granitiques, et qu’on les extrait (ou pas) de leur source, ce qui a des conséquences sur le comportement rhéologique de la croûte.
Je me spécialise en particulier sur l’histoire et l’évolution de la croûte Archéenne. Dans cette optique, j’utilise les granitoïdes comme des marqueurs des processus géologiques Archéens, pour essayer de contraindre le style tectonique de cette période.
L’ensemble de ce travail a, parfois, des liens avec les aspects métallogéniques.
Dans tout les cas, mon approche est de combiner des descriptions de terrain, avec des analyses chimiques (géochimie majeurs et trace en particulier), et des modèles numériques principalement géochimiques, parfois à base physique.
(Pour les non-géologues, une description en termes moins techniques se trouve ici)
Fusion de la croûte et origine des granites
Les processus de fusion et la composition chimique des granites
Métapelites partiellement fondues, SMZ, Limpopo belt. La réaction de fusion implique la formation de grenat en même temps que le liquide. Au centre, on observe une zone d’accumulation de grenat, et à droite de liquide (« leucosome »).
Les magmas granitiques se forment principalement par fusion de la croûte continentale. Des zones de fusion peuvent s’observer dans les domaines de croûte profonde, sous la forme de terrains partiellement fondus (migmatites). Dans les migmatites, on observe des parties claires (les leucosomes), qui correspondent à des portions jadis liquides. Mais les compositions des liquides obtenus de façon expérimentale ne correspondent pas à celles des leucosomes ; ni à celles des plutons granitiques. Les processus de formation, d’extraction et d’évolution des magmas sont donc plus complexes qu’il ne paraît au premier abord ; et la composition des granitoïdes est le résultat de l’interaction de toutes sortes d’effets : composition de la source, réactions (et conditions) de fusion, processus lors de l’extraction des magmas, lors de leur transfert, voire lors de leur mise en place.
Outre la composante crustale, des magmas issus du manteau peuvent jouer un rôle. Ils sont représentés par les petits « stocks » et enclaves de toutes tailles, de composition généralement dioritiques, que l’on trouve en enclave ou en association avec de nombreux granites. Leur rôle exact, cependant, est mal compris : composant pétrogénétique majeur, source de chaleur, ou simplement coïncidence spatio-temporelle ? Ces magmas sont, par exemple, les « vaugnérites » de la chaîne hercynienne, ou les « sanukitoïdes » de l’Archéen (voir plus bas).
Enfin, de façon générale les granites sont des roches plutoniques, qui ont cristallisé en profondeur et subi des phénomènes plus ou moins complexes de séparation entre solide et liquide. Ainsi, la composition d’un échantillon représente, en proportions variables (et mal connues), du liquide, et des cristaux qui peuvent d’être formés à différents moments (depuis des héritages de la source, à des minéraux cristallisés lors du refroidissement).
L’ensemble contribue à faire des granites des roches complexes à interpréter ; leur composition reflète la superposition de nombreux processus successifs.
Voyez par exemple :
Moyen, J.-F. and G. Stevens (2006). Experimental constraints on TTG petrogenesis: implications for Archean geodynamics. Archean geodynamics and environments. K. Benn, J.-C. Mareschal and K. C. Condie, AGU. 164: 149-178.
Stevens, G., et al. (2007). « Selective peritectic garnet entrainment as the origin of geochemical diversity in S-type granites. » Geology 35(1): 9-12.
Villaros, A., et al. (2009). « The trace element composition of S-type granites: evidence for disequilibrium melting and accessory phase entrainment in the source. » Contribution to Mineralogy and Petrology 158(4): 543-561.
Nédélec, A., et al. (2012). « TTGs in the making : natural evidence from Inyoni shear zone (Barberton, South Africa). » Lithos in press.
Transfert et mise en place des magmas granitiques
Brèche intrusive du pluton de Stolzburg dans des amphibolites
D’un point de vue mécanique, le transport physique des magmas (quoi qu’ils représentent) de leur source à leur site de mise en place finale pose un certain nombre de problèmes : comment séparer physiquement les solides et les liquides, quel rôle pour les différentes forces présentes (déformation, différence de densité…), comment créer de la place pour les magmas dans la croûte supérieure, etc.
J’ai en particulier étudié ces aspects en Inde, dans le massif de Closepet, un grand complexe granitique qu’on peut observer depuis ses « racines » dans la croûte inférieure, jusqu’à des intrusions dans la croûte cassante. On peut observer différents modes de mise en place et de transfert des magmas, en fonction des conditions physiques à différentes profondeurs dans la croûte.
Quelques références :
Moyen, J.-F., et al. (2001). « Contrasted granite emplacement modes within an oblique crustal section: the Closepet granite, South India. » Physics and Chemistry of the Earth 26(4-5): 295-301.
Moyen, J.-F., et al. (2003). « From the roots to the roof of a granite: the Closepet granite, South India. » Journal of the Geological Society of India 62(6): 753-768.
Moyen, J.-F., et al. (2003). « Syn-tectonic granite emplacement at all structural levels: the Closepet granite, South India. » Journal of Structural Geology 25(4): 611-631.
Vigneresse, J. L., et al. (2007). « Instabilities development in partially molten rocks. » Bollettino della Societa Geologica Italiana 127(2): 139-154.
La croûte tardi-hercynienne dans le Massif Central
Migmatites à cordiérite « M4 » dans le Sud-Velay. Les « tâches » à cordiérite sont superposées à des migmatites stromatiques « M3 », sans cordiérite.
Un bon terrain d’étude pour observer ces phénomènes se situe dans le Massif Central Français, une région qui a de plus l’avantage d’être à nos portes. Je travaille en particulier sur le complexe du Velay et ses alentours, un grand dôme anatectique carbonifère (ca. 305 Ma) dans des migmatites principalement en faciès amphibolite (faciès à cordiérite).
Dans, et autour du complexe du Velay, on observe des migmatites, des granites du différents types, des vaugnérites (et des granitoïdes qui leurs sont associées). L’ensemble se forme dans le contexte relativement bien compris de la fin de la chaîne hercynienne et de son effondrement. C’est donc un terrain d’étude privilégié pour observer les différents phénomènes mentionnés plus haut, leur interaction, et leur rôle dans la structuration de la croûte. C’est aussi un bon exemple de croûte chaude, partiellement fondue, et on peut imaginer que certaines conclusions (sur l’évolution de ce type de croûtes) puisse s’appliquer aux contextes Archéens.
Pas encore grand chose sur ce thème, mais ça va venir…
Solgadi, F., et al. (2007). « The relative roles of crustal anatexis and mantle-derived magmas: Generation of Synorogenic, Hercynian granites in the Livradois area, French Massif Central. » Canadian Mineralogist 45: 581-606.
Tectonique de la croûte archéenne
Les granites Archéens
Figures de mélange magmatique dans le pluton de Matok, Afrique du Sud. Deux magmas interagissent, un magma dioritique mantellique ?) et un magma granitique crustal ?)
Une première approche est celle d’une sorte d’inventaire des granitoïdes Archéens, leur diversité, leur distribution spatiale et temporelle, et leur origine possible, au moins dans un sens très large. C’est un travail en cours, en évolution permanente ; pour le moment je pencherais pour une typologie comme suit :
1. Granites d’origine principalement crustale (que ce soit de la croûte océanique ou continentale) : granites de type « C » au sens de Lameyre. On y trouve
- De rare granites peralumineux (type « S » de la terminologie classique), à muscovite ou grenat (ou cordiérite, mais je n’en connais pas à l’Archéen) ;
- Des granites potassiques (granites et granodiorites), sans doute issus de la fusion de lithologies crustales (roches plutoniques pré-existantes ?)
- Des granites sodiques (tonalites et trondhjémites), sans doute le produit de la fusion de roches basiques, amphibolites, granulites ou éclogites. Ce sont les granites du groupe « TTG ».
2. Granites d’origine en partie mantellique (granites « M » au sens de Lameyre), c’est la famille des « sanukitoïdes » au sens large.
- Ces roches sont en général associées à des diorites potassiques, qui se différencient (par mélange, fractionation, refusion ou autres) pour générer toute la série de granitoïdes associés. Les diorites, elles-mêmes, sont des roches à l’origine complexe, qui proviennent d’un manteau enrichi par des composants crustaux.
- La terminologie de ce groupe est assez floue. Les « sanukitoïdes » désignaient à l’origine un type de roche bien défini, le nom tend maintenant à s’appliquer à tout les granites avec une composante mantellique quelle qu’elle soit, et regroupe par exemple la série « magnésio-potassique » (ou HKCA, ou « high-Ti sanukitoids »), les sanukitoïdes s.s. (« low Ti »), et bien d’autres granites sub-alcalins.
3. Granites alcalins et syénites (type A), que je connais moins.
On peut noter que presque tous ces granites sont des « I » dans la terminologie classique, décidemment peu utile dans le contexte Archéen…
Références :
Jayananda, M., et al. (2000). « Late Archaean (2550-2520 Ma) juvenile magmatism in the Eastern Dharwar craton, southern India: constraints from geochronology, Nd-Sr isotopes and whole rock geochemistry. » Precambrian Research 99: 225-254.
Moyen, J.-F., et al. (2003). « Late Archaean granites: a typology based on the Dharwar Craton (India). » Precambrian Research 127(1-3): 103-123.
Steenfelt, A., et al. (2005). « Mantle wedge involvement in the petrogenesis of Archaean grey gneisses in West Greenland. » Lithos 79(1-2): 207-228.
Moyen, J.-F. and G. R. Watt (2006). « Pre-Nagssugtoqidian crustal evolution in West Greenland: geology, geochemistry and deformation of supracrustal and granitic rocks north-east of Kangaatsiaq. » Geological Survey of Denmark and Greenland Bulletin 11: 33-52.
Moyen, J.-F., et al. (2010). « The geochemistry of Archaean plagioclase-rich granites as a marker of source enrichment and depth of melting. » Transactions of the Royal Society of Edinburgh-Earth Sciences 100(1-2): 35-50.
Sanchez-Garrido, C., et al. (2011). « Diversity in Earth’s early felsic crust: Paleo-Archean peraluminous granites of the Barberton greenstone belt. » Geology 39(10): 963-966.
.. et en particulier, la question des TTG et des adakites
Gneiss gris à Sand River (CZ, Limpopo belt). Un exemple remarquable de gneiss gris Archéens qui ont enregistré 1 Ga d’histoire géologique…
Les « TTG » (tonalites, trondhjémites et granodiorites) sont le groupe de granitoïdes emblématique de l’Archéen. Ces roches représentent une fraction importante des complexes de « gneiss gris », les gneiss médio-crustaux qui représentent la majeure partie des terrains Archéens à l’affleurement. Ce sont donc les roches qui constituent, en majorité, la croûte Archéenne et en comprendre l’origine est donc primordial pour comprendre la formation de la croûte continentale.
Un premier problème est de nature géologique. En effet, si les TTG sont une partie importante des gneiss gris, les gneiss gris ne sont pas formés de TTG uniquement. Il importe donc de faire le tri entre les différents composants des gneiss gris – un travail qui n’a pas toujours été fait.
D’autre part, si les TTG (au sens propre du terme) sont pour l’essentiel des granitoïdes, issus de la fusion partielle de roches basiques, les conditions de la fusion sont discutées, avec des pressions de fusion proposées variant de < 10 kbar à > 20 kbar, avec des conséquences importantes sur le site géodynamique qu’on peut envisager.
Une partie de mon travail a consisté à essayer de « trier » cette nébuleuse, pour identifier les différents composants et discuter de leur origine – mon modèle préféré à l’heure actuelle est que les TTG comportent des composants formés à différentes pressions, et qu’il faut donc les identifier pour reconstituer un scénario tectonique localement valable.
Un autre volet est représenté par l’étude des « adakites ». Ces laves modernes ressemblent aux TTG au point de vue géochimique ; il est donc tenant de conclure que les deux familles de roches ont la même origine. Mais cette comparaison repose sur l’identification des deux familles de roches ; une partie de mon travail a été d’explorer les limites de cette analogie.
Un peu de lecture …
Martin, H. and J.-F. Moyen (2002). « Secular changes in TTG composition as markers of the progressive cooling of the Earth. » Geology 30(4): 319-322.
Martin, H., et al. (2005). « An overview of adakite, tonalite-trondhjemite-granodiorite (TTG) and sanukitoid: relationships and some implications for crustal evolution. » Lithos 79(1-2): 1-24.
Moyen, J.-F., et al. (2007). TTG plutons of the Barberton granitoid-greenstone terrain, South Africa. Earth’s Oldest rocks. M. J. Van Kranendonk, R. H. Smithies and V. Bennett, Elsevier: 606–668.
Moyen, J.-F. (2009). « High Sr/Y and La/Yb ratios: The meaning of the “adakitic signature”. » Lithos 112: 556-574.
Moyen, J.-F. (2011). « The composite Archaean grey gneisses: petrological significance, and evidence for a non-unique tectonic setting for Archaean crustal growth. » Lithos 123: 21-36.
Moyen, J.-F. and H. Martin (2012). « Forty years of TTG research. » Lithos 148: 312-336.
… et des « sanukitoïdes »
Bulai – un exemple classique de pluton de la famille sanukitoide (ou HKCA).
Les sanukitoïdes sont un type mineur en volume, mais généralement présent, dans les terrains Archéens, tout au moins à partir de 3.0 Ga. Ce sont des granites d’origine partiellement mantellique ; la composante mantellique elle-même vient d’un manteau enrichi, par des composants crustaux recyclés.
Cette famille présente une grande diversité, qui peut venir :
1. Du composant mantellique :
- La nature de l’agent qui a enrichi le manteau (sédiments, fluides, magmas felsiques eux-mêmes issus de la fusion de sédiments, ou de roches basiques – c’est-à-dire des magmas TTG)
- Les proportions de ce composant crustal, vs. de manteau
- Les conditions de la fusion (pression et température)
2. De la différentiation de ce composant :
- Par cristallisation fractionnée
- Par sous-placage et refusion
- Par mélange avec des termes crustaux, eux-même potentiellement divers (sodique ou potassique par exemple !)
- Ou par des processus composites impliquant plusieurs des mécanismes ci-dessus.
Enfin, on peut réfléchir aux conditions géodynamiques qui permettent de réaliser cet ensemble de circonstances pétrogénétiques ; un contexte tenant est celui d’une zone de subduction, où on enfouit du matériel crustal au sens large dans le manteau.
Un massif de ce type (Closepet, en Inde du Sud) a été le sujet de ma thèse ; depuis je garde un intérêt distant avec cette famille de roches, en essayant par exemple d’en décrire la diversité et la typologie, ou de comprendre l’origine de différents exemples dans le monde.
Tout ce que vous avez jamais voulu savoir sur le sujet (et plus encore)
Moyen, J.-F., et al. (1997). « Origine du granite fini-archéen de Closepet (Inde duSud) : apports de la modélisation géochimique du comportement des éléments en trace. » Comptes-Rendus à l’Académie des Sciences (Paris) 325: 659-664.
Moyen, J. F., et al. (2001). « Multi-element geochemical modelling of crust-mantle interactions during late-Archaean crustal growth: the Closepet granite (South India). » Precambrian Research 112(1-2): 87-105.
Martin, H. and J.-F. Moyen (2005). « Sanukitoids and the Archaean Proterozoic boundary. » Mineralogical Society of Poland Special papers 26: 57-68.
Martin, H., et al. (2010). « Sanukitoids and the Archaean-Proterozoic boundary. » Transactions of the Royal Society of Edinburgh-Earth Sciences 100(1-2): 15-33.
Laurent, O., et al. (2011). « Geochemistry and petrogenesis of high-K “sanukitoids” from the Bulai pluton, Central Limpopo Belt, South Africa: Implications for geodynamic changes at the Archaean–Proterozoic boundary. » Lithos 123(1-4): 73-91.
Słaby, E., et al. (2012). « The consequence of mantle-derived fluids for the petrogenesis of the Archaean Closepet granite – alkali feldspar megacrysts case study. » Journal of Petrology 53(1): 67-98.
Laurent, O., et al. (in press). « Differentiation of the late-Archaean sanukitoid series and some implications for crustal growth: insights from geochemical modelling on the Bulai pluton, Central Limpopo Belt, South Africa. » Precambrian Research.
Structuration et métamorphisme de la croûte archéenne
Les amphibolites à grenat de la « Inyoni Shear Zone », à Barberton, sont parmi les roches Archéenne de plus haute pression que nous connaissions.
Une autre façon d’approcher la question des conditions tectoniques Archéennes est l’étude du métamorphisme. C’est un outil classique pour la compréhension des chaînes de montagnes modernes, mais qui est peu utilisé dans l’Archéen pour des raisons à la fois objectives (ce sont des roches « difficiles », peu alumineuses et magnésiennes) et irrationnelles (« chacun sait » que le métamorphisme Archéen est uniformément chaud et sans intérêt).
En travaillant en particulier à Barberton, nous avons pu démontrer que certains morceaux du bloc de Barberton ont subi des pressions >12 kbar pour des températures n’excédant pas 700 °C (incidemment, les pressions les plus haute enregistrées à cette période) ;et que ces terrains sont adjacents à des domaines de plus basse pression et haute température, mimant ainsi des systèmes de « paired metamorphic belts » comme dans les collisions actuelles. Nous avons décrit le même dispositif dans la région de Murchison, plus au Nord.
L’ensemble démontre à tout le moins l’existence de domaines qui subissent des histories P—T variées, qui impliquent l’enfouissement et l’exhumation de blocs rigides, relativement froids (mais assez petits).
Une extension naturelles de ce travail est, dès lors, d’essayer de décrire la distribution géographique des différents blocs qui composent la croûte Archéenne.
Rien que du bon…
Moyen, J.-F., et al. (2006). « Record of mid-Archaean subduction from metamorphism in the Barberton terrain, South Africa. » Nature 443: 559-562.
Stevens, G. and J.-F. Moyen (2007). Metamorphism in the Barberton Granite Greenstone Terrain: a record of Paleoarchean accretion. Earth’s Oldest rocks. M. J. Van Kranendonk, R. H. Smithies and V. Bennett, Elsevier: 669-698.
Benn, K. and J.-F. Moyen (2008). Geodynamic origin and tectonomagmatic evolution of the Late Archean Abitibi-Opatica terrane, Superior Province: Magmatic modification of a plateau-type crust and plume-subduction interaction When did plate tectonics begin on Earth? K. C. Condie and V. Pease. Boulder, Geological Society of America: 173-198.
Block, S., et al. (2012). « The Murchison greenstone belt, South Africa : accreted slivers with contrasting metamorphic conditions. » Precambrian Research.
Jaguin, J., et al. (2012). « The Murchison greenstone belt (South Africa): a general tectonic framework. » South African Journal of Geology 115(1): 65-76.
Laurent, O., et al. (submitted). « Crustal growth and evolution in the northern Kaapvaal craton inferred by LA-ICP-MS dating of zircons from Meso- and Neoarchaean granitoids. » Precambrian Research.
Géodynamique de l’Archéen
Modéle numérique de subduction dans un manteau chaud (J. van Hunen, Moyen & van Hunen 2012), marqué par de fréquentes ruptures du slab.
La tectonique de la Terre Archéenne est la question sous-jacente à toutes les études décrites ici. Un problème fondamental est que la relativement petite taille des blocs en présence (< 100 km) est largement incompatible avec des descriptions d’échelle continentale, ou lithosphérique.
On peut tenter de contourner le problème en croisant l’approche géologique avec celle du modélisateur (en l’occurrence, surtout mon collègue Jeroen van Hunen, de Durham). La modélisation numérique permet de tester l’influence de différents paramètres, principalement pour nous la température du manteau (plus élevée à l’Archéen), sur la géologie qui en résulte : par exemple vitesse de la subduction, quantité voire nature des magmas produits, etc. Le but ultime est de comparer ces résultats aux observations géologiques.
Lisez les bons auteurs !
Moyen, J.-F. and J. van Hunen (2012). « Short term episodicity of Archaean subduction. » Geology 40(5): 451-454.
van Hunen, J. and J.-F. Moyen (2012). « Archaean subduction: fact or fiction? » Annual Review of Earth and Planetary Sciences 40: 195-219.
Une liste de publications plus ou moins à jour est gérée automatiquement par le service « Researcher ID » (numéro E-2043-2012).
Géologie et géotourisme 