Subduction dynamics of ridge-free oceanic plate : Implication for the Tethys domain lato sensu
La dynamique de subduction en l'absence de dorsale océanique : implication pour le domaine Téthysien au sens large
Résumé
Plate tectonics relates the movement of rigid plates at the Earth's surface to mantle convection. Although upwelling flows such as mantle plumes can interact with plates by mechanically eroding their bases and increasing their gravitational potential, they do not provide sufficient forces to break up a continental plate in the absence of far field extensional forces or other weakening mechanisms such as the injection of magma dykes. Mantle convection can also exert viscous friction at the base of tectonic plates, which can drive, or resist, plate motion. Nevertheless, the Lithosphere Asthenosphere Boundary is among the mechanically weakest regions of the mantle, therefore, the main link between plate motion and mantle convection in terms of driving force is the subduction of oceanic lithosphere slab. These subducting slabs indeed drive both plate motion at the surface and mantle convection and are strong enough to transmit forces from the deep earth to the surface. This thesis therefore studies the relationship between subduction dynamics and continental breakup. While it has long been recognized that subduction can lead to continental breakup in the upper plate through weakening by fluid percolation and small-scale convection, very few studies focus on the dynamics of continental breakup in the lower plate in response to slab pull force. This mechanism has been proposed for the breakup of Gondwana during the Permian and for the opening of the South China Sea in the Oligocene. In both cases, continental breakup of the lower plate must occur after the mid-ocean ridge has ceased activity or when subduction becomes normal to the ridge, otherwise oceanic plate subduction would be accommodated by accretion at the mid-oceanic ridge. I set up a series of 2D numerical simulations of subducting ridge-free plates to study by means of a parametric approach when and where the continental plate breaks up as a function of the relative motion of the plates. Given the importance of the volume forces produced by the sinking slab, special care was taken to take into account the effect of mineralogical changes on density in the simulations. The simulations present four modes of continental breakup: upper plate, lower plate, both plates, or absent. Focusing on lower plate continental lithosphere breakup, the parametric study shows that the sharp increase in density of the sinking slab related to the 410 km phase transition, in addition to the gravitational potential energy of the continental lithosphere, can cause continental rifting in the lower subducting plate. However, simulations also show that this mechanism requires the lower plate to move at the same speed as the underlying mantle (i.e. no significant horizontal basal shear on the continent). The slab-drag model appears to be a viable mechanism for continental breakup of the lower plate and the conditions limiting this process in terms of timing and relative motion make its potential geological record an important constraint on the dynamics of the system. Furthermore, the simulations also demonstrate that there is a significant time lag between ridge subduction and continental breakup (i.e. the time required for the plunging panel to reach the 410 km discontinuity). These last two points provide new constraints on paleogeographic reconstructions of Permian Cimmerian blocks motion. Based on the results of this first set of simulations and the extensive literature documenting the opening of the South China Sea, I conducted a second study adapted to the regional geodynamic context. This allows me to propose a new conceptual model that combines ridge inversion, continental breakup related to slab pull and subduction reversal to reconcile the geological and geophysical data of this region. The end of this manuscript discusses the limitations of my results and provides suggestions for remediation.
La tectonique des plaques relie le mouvement des plaques tectoniques rigides à la surface de la terre et la convection du manteau. Bien que les panaches mantelliques puissent interagir avec les plaques en érodant mécaniquement leur base et en augmentant leur potentiel gravitationnel, ils ne fournissent pas de forces suffisantes pour rompre une plaque continentale en l'absence d’un forçage cinématique ou de mécanismes d'affaiblissement, e.g. injection de dykes magmatiques. La convection du manteau peut également exercer un frottement basal visqueux pouvant entrainer les plaques, ou résister à leur mouvement. Néanmoins la limite lithosphère asthénosphère étant une zone mécaniquement faible, le lien principal entre le mouvement des plaques et la convection du manteau est la subduction des panneaux de lithosphère océanique. Ceux-ci sont assez résistant pour transmettre les forces depuis la terre profonde jusqu'à la surface en participant à la fois au mouvement des plaques à la surface et à la convection du manteau. Cette thèse étudie la relation entre la dynamique de la subduction et la rupture des continents. Alors qu'il est reconnu depuis longtemps que la subduction peut conduire à la rupture continentale dans la plaque supérieure grâce à l'affaiblissement par la percolation des fluides et la convection à petite échelle, très peu d'études se concentrent sur la dynamique de la rupture continentale de la plaque inférieure en réponse à la traction des panneaux plongeant. Ce mécanisme a été proposé pour la fragmentation du Gondwana durant le Permien et pour l'ouverture de la mer de Chine méridionale à l'Oligocène. Dans les deux cas, la rupture continentale de la plaque inférieure doit se produire en absence de dorsale medio-océanique, sinon la subduction des plaques serait accommodée par l'accrétion à leur niveau. J'ai mis en place une série de simulations numérique 2D de plaques sans dorsale en subduction pour étudier par le biais d'une étude paramétrique quand et où la plaque continentale se rompt en fonction du mouvement relatif des plaques. Étant donné l'importance des forces de volumes produite par le panneau plongeant, un soin particulier a été donné à la prise en compte de l'effet des changements de minéralogie sur la densité dans les simulations. Les simulations présentent quatre modes de rupture continentale : en plaque supérieure, en plaque inférieure, sur les deux plaques ou absente. L'étude montre que l'augmentation marquée de la densité du panneau plongeant liée à la transition de phase de 410 km, en plus de l'énergie potentielle gravitationnelle de la lithosphère continentale, peut provoquer un rifting continental dans la plaque inférieure de la subduction si le continent n’est pas cisaillé à sa base. Le modèle de "slab-drag" apparaît comme un mécanisme viable de rupture continentale en plaque inférieure. Par ailleurs, les simulations démontrent également qu'il existe un décalage temporel important entre la subduction de la dorsale et la rupture continentale (c'est-à-dire le temps nécessaire pour que le panneau plongeant atteigne la discontinuité de 410 km). Ces conditions limitantes (mouvement relatifs et écart temporel) font de son potentiel enregistrement géologique une contrainte importante sur les reconstructions paléogéograhiques du mouvement des plaques et en particulier des blocs Cimmérien au Permien. En m'appuyant sur les résultats de cette première série de simulations et sur la littérature abondante qui documente l'ouverture de la mer de Chine méridionale, j'ai mené une deuxième étude adaptée au contexte géodynamique régional. Cela me permet de proposer un nouveau modèle conceptuel qui combine l'inversion de la dorsale, la rupture continentale liée à la traction des panneaux plongeant et l'inversion de la subduction pour réconcilier les données géologiques et géophysiques de cette région. La fin de ce manuscrit discute les limites de mes résultats et apporte des pistes de remédiation.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|