Une carte des zones de cisaillement ductiles des Alpes Centrales

The main deformation structures due to the Tertiary continental collision in the Western Swiss Alps are ductile shear zones. Four main shear zones can be recognized on the structural map, each characterised by a different shear direction. The first D I shear zone with a X I, SE (transverse) stretching direction has been created during the under-thrusting towards the SE of the European plate under the Adriatic plate. This took place mainly by ductile deformation of the upper part of the European continental basement with the formation of the external massifs basement folds and the Penninic foldnappes. The second D II shear zone (Simplon ductile shear zone) is characterized by a XII stretching, dipping from 0 to 30-degrees to the SW (longitudinal stretching). It is approximately 10 km wide, and crosses the Alpine nappes in an oblique direction. It corresponds to a relative SW transport direction of the upper units together with the Adriatic plate. This dextral transpression zone is also responsible for the stretching parallel to the elongation of the Alpine belt. The third D III shear zone is made of mylonites with a steep stretching direction and corresponds to the hanging wall of the Canavese reverse fault. The D IV shear zones, dextral wrench zones combined with underthrusting movement, are characterised by a W and SW stretching direction. They were formed during and after the S facing backfolding which for instance made the Mischabel fold and the Boggioleto fold. Actually it occupies two narrow areas of more ductile rocks between the Mischabel backfold to the N and the Monte Rosa nappe to the S and allong the Canavese Line. These dextral shear zones represent probably the western continuation of the Tonale Line dextral wrench fault. The D I to IV ductile shear zone were formed under greenschist and amphibolite facies conditions during the Tertiary orogenic metamorphism. Their regional distribution is limited to the metamorphic ductile zone representing the deep part of the Alpine belt, between 10 and 30 km depth. The emplacement and orientation of the shear zones was also directed by the geometry of the boundaries of the European and Adriatic plates. The analysis of the superposed Central Alpine shear zones permits thus to propose a model of the history of the relative convergent and wrench movements which took place between the European and Adriatic plates during the Alpine Tertiary continental collision.

Basement lithostratigraphy of the Adula nappe: implications for Palaeozoic evolution and Alpine kinematics

The Adula nappe belongs to the Lower Penni- nic domain of the Central Swiss Alps. It consists mostly of pre-Triassic basement lithologies occurring as strongly folded and sheared gneisses of various types with mafic boudins. We propose a new lithostratigraphy for the northern Adula nappe basement that is supported by detailed field investigations, U-Pb zircon geochronology, and whole-rock geochemistry. The following units have been identified: Cambrian clastic metasediments with abundant carbonate lenses and minor bimodal magmatism (Salahorn Formation); Ordovician metapelites associated with amphibolite boudins with abundant eclogite relicts representing oceanic metabasalts (Trescolmen Formation); Ordovician peraluminous metagranites of calc-alkaline affinity ascribed to subduction-related magmatism (Ga- renstock Augengneiss); Ordovician metamorphic volcanic- sedimentary deposits (Heinisch Stafel Formation); Early Permian post-collisional granites recording only Alpine orogenic events (Zervreila orthogneiss). All basement lithologies except the Permian granites record a Vari- scan ? Alpine polyorogenic metamorphic history. They document a complex Paleozoic geotectonic evolution consistent with the broader picture given by the pre- Mesozoic basement framework in the Alps. The internal consistency of the Adula basement lithologies and the stratigraphic coherence of the overlying Triassic sediments suggest that most tectonic contacts within the Adula nappe are pre-Alpine in age. Consequently, me ́lange models for the Tertiary emplacement of the Adula nappe are not consistent and must be rejected. The present-day structural complexity of the Adula nappe is the result of the intense Alpine ductile deformation of a pre-structured entity.

Structure and kinematics of the Siviez-Mischabel nappe in the Mattertal (western Alps of Switzerland) = Structure et cinématique de la nappe de Siviez-Mischabel le long de la vallée de Zermatt (Alpes de Suisse occidentale)

Résumé Cette étude porte sur le flanc inverse de la nappe de Siviez-Mischabel et sur les unités tectoniques sous jacentes (zone de Stalden supérieur et zone Houillère) dans la vallée menant à Zermatt. L'étude structurale du granite permien de Randa (orthogneiss oeillé) permet de mieux comprendre les effets de la déformation alpine sur les roches de socle. La cartographie détaillée de l'orthogneiss et de son encaissant, ainsi que l'étude lithostratigraphique des terrains sédimentaires associés permettent de proposer un schéma structural et cinématique du flanc inverse de la nappe de Siviez-Mischabel et de mieux comprendre ses relations avec les unités tectoniques sous-jacentes. L'analyse structurale de l'orthogneiss de Randa et de son encaissant révèle la superposition de plusieurs phases de déformation ductile. Cet orthogneiss formé sous des conditions métamorphiques du faciès schiste vert possède une forte schistosité alpine avec au moins deux linéations d'extension. La première, L1, orientée NW-SE est associée à la mise en place de la nappe. La seconde, L2, orientée SW-NE, se corrèle au cisaillement ductile du Simplon. La quantification de la déformation au moyen de la méthode de Fry sur les faciès porphyriques donne des ellipses à rapports axiaux compris entre 1.9 et 5.3, en accord avec les valeurs obtenues par d'autres marqueurs {tourmalines étirées, fibres). Les valeurs mesurées parallèlement à L1 ou L2 sont très semblables. La méthode de Fry a nécessité une étude théorique préalable afin de vérifier son applicabilité aux orthogneiss oeillés. La méthode requiert une distribution spatiale homogène et isotrope des marqueurs utilisés. Les tests statistiques effectués ont révélé que les phénocristaux de feldspath alcalin satisfont à cette condition et qu'ils peuvent être utilisés comme marqueur de la déformation au moyen de la méthode de Fry. Les valeurs obtenues révèlent l'importance du cisaillement ductile du Simplon sur la géométrie de la nappe dans la région d'étude. Le levé cartographique a permis d'améliorer la lithostratigraphie de la base de la nappe de Siviez-Mischabel. Trois formations en position renversée peuvent être observées sous les gneiss formant le coeur de la nappe. Ces trois formations forment le coeur du synclinal de St-Niklaus qui connecte la nappe de Siviez-Mischabel à la zone de Stalden supérieur. La datation par U-Pb de zircons détritiques et magmatiques par LA-ICP-MS permet de contraindre l'âge des formations observées (probablement Carbonifère à Trias précoce). Ces données ont des répercussions importantes sur la structure de la nappe dans la région, prouvant l'existence de plusieurs plis avec des séries normales et renversées bien préservées. La définition et la datation de ces formations, ainsi que leur identification dans la-Zone- Houillère avoisinante permettent de mieux comprendre la géométrie initiale et les relations tectoniques des nappes du Pennique moyen dans la vallée de Zermatt. Summary This study investigates the overturned limb of the Siviez-Mischabel nappe and underlying tectonic units (Upper Stalden zone and Houillère zone) in the Mattertal area. Detailed structural analysis in the Permian Randa granite (augen orthogneiss) allows a better understanding of the Alpine deformation effects on basement rocks. Detailed mapping of this orthogneiss and surrounding rocks, and the study of the lithostratigraphy in the related sedimentary horizons allow the proposition of a structural and kinematic model for the overturned limb of the Siviez-Mischabel and to better understand the relations with the underlying tectonic units. The structural analysis of the Randa orthogneiss and surrounding rocks revealed the superposition of several phases of ductile deformation. This orthogneiss formed under greenschist facies metamorphic conditions displays a strong Alpine foliation with at least two stretching lineations. The first lineation, L1, is oriented NW-SE and is related to the nappe emplacement northward. The second one, L2, is related to the Simplon ductile shear zone. Strain estimation using the Fry method has been performed on porphyritic facies of the Randa orthogneiss. The obtained ellipses have axial ratios varying between 1.9 and 5.3, in agreement with strain estimation obtained from other markers (stretched turmalines, fringes). The strain values are very similar if measured parallel to L1 or to L2. A theoretical approach was necessary to verify the relevant application of the Fry method to augen orthogneiss. This method requires that the distribution of the used markers has to be homogeneous and isotropic. Statistical tests have been done and revealed that K-feldspar phenocrysts satisfy these conditions and can be used as strain markers with the Fry method. The obtained strain measurements revealed the importance of the Simplon ductile shear zone on the geometry of the nappe in the studied area. Mapping has improved the lithostratigraphy at the base of the Siviez-Mischabel nappe. Three overturned formations can be observed below the gneisses forming the core of the nappe. These three formations form the St-Niklaus syncline, which connects the Siviez-Mischabel nappe to the underlying Upper Stalden zone. U-Pb dating of detrital and magmatic zircons by LA-ICPMS allowed the age of the observed formations to be constrained (presumably Carboniferous to Early Triassic). This data has critical implications for nappe structure in the region, composed of few recumbent folds with well preserved normal and overturned limbs. The definition and dating of these formations, as well as their identification in the adjacent "Houillère Zone" improve the understanding of the geometry and tectonic relations of the Middle Penninic nappes in the Mattertal.

Nappe geometry in the Western Swiss Alps

Detailed geological mapping during the last 20 years in the Western Swiss Alps has shown clearly that most of the lower basement nappes are fold nappes possessing normal and inverted limbs. Moreover their cores are made of strongly deformed gneisses indicating that important ductile strain took place during the formation of the fold nappes. It is therefore probably wrong to imagine deep basement nappes as rigid slices as often actually claimed, especially when interpreting seismic profiles. True `brittle type' thrust nappes involving basement rocks only occur in the internal and upper parts of the belt. Cover nappes, on the contrary, are in most parts of the Alpine belt thrust sheets following more or less the rules of thin-skinned tectonics. Many basement fold nappes lost part of their sedimentary cover during or just before their formation, by decollement along ductile horizons. The result is that many cover thrust nappes in the external part of the Alps are directly related to their original basement fold nappes.

Development of fluid conduits in the auriferous shear zones of the Hutti Gold Mine, India: evidence for spatially and temporally heterogeneous fluid flow

The gold mineralization of the Hutti Mine is hosted by nine parallel, N - S trending, steeply dipping, 2 - 10 m wide shear zones, that transect Archaean amphibolites. The shear zones were formed after peak metamorphism during retrograde ductile D, shearing in the lower amphibolite facies. They were reactivated in the lower to mid greenschist facies by brittle-ductile D-3 shearing and intense quartz veining. The development of a S-2-S-3 crenulation cleavage facilitates the discrimination between the two deformation events and contemporaneous alteration and gold mineralization. Ductile D, shearing is associated with a pervasively developed distal chlorite - sed cite alteration assemblage in the outer parts of the shear zones and the proximal biotite-plagioclase alteration in the center of the shear zones. D3 is characterized by development of the inner chlorite-K-feldspar alteration, which forms a centimeter-scale alteration halo surrounding the laminated quartz veins and replaces earlier biotite along S-3. The average size of the laminated vein systems is 30-50 m along strike as well as down-dip and 2-6 m in width. Mass balance calculations suggest strong metasomatic changes for the proximal biotite-plagioclase alteration yielding mass and volume increase of ca. 16% and 12%, respectively. The calculated mass and volume changes of the distal chlorite-sericite alteration (ca. 11%, ca. 8%) are lower. The decrease in 6180 values of the whole rock from around 7.5 parts per thousand for the host rocks to 6-7 parts per thousand for the distal chlorite-sericite and the proximal biotite-plagioclase alteration and around 5 parts per thousand for the inner chlorite-K-feldspar alteration suggests hydrothermal alteration during two-stage deformation and fluid flow. The ductile D-2 deformation in the lower amphibolite facies has provided grain scale porosities by microfracturing. The pervasive, steady-state fluid flow resulted in a disseminated style of gold-sulfide mineralization and a penetrative alteration of the host rocks. Alternating ductile and brittle D3 deformation during lower to mid greenschist facies conditions followed the fault-valve process. Ductile creep in the shear zones resulted in a low permeability environment leading to fluid pressure build-up. Strongly episodic fluid advection and mass transfer was controlled by repeated seismic fracturing during the formation of laminated quartz(-gold) veins. The limitation of quartz veins to the extent of earlier shear zones indicate the importance of preexisting anisotropies for fault-valve action and economic gold mineralization. (C) 2003 Elsevier B.V. All rights reserved.

Événements et déformations tardi-métamorphiques dans le segment Ossola-Ticino (Val Vigezzo-Centovalli, Italie-Suisse)

RESUME: Une zone tectonique large et complexe, connue sous le nom de ligne des Centovalli, traverse le secteur des Alpes Centrales compris entre Domodossola et Locarno. Cette région, formée par le Val Vigezzo et la vallée des Centovalli, constitue la terminaison méridionale du dôme Lepontin et représente une portion de la zone des racines des nappes alpines. Elle fait partie d’une grande et complexe zone de cisaillement, en partie associée à des phénomènes hydrothermaux d’âge alpin (<20 Ma), qui comprend le système tectonique Insubrien et celui du Simplon. Le Val Vigezzo et les Centovalli constituent un vrai carrefour entre les principaux accidents tectoniques des Alpes ainsi qu'une zone de juxtaposition du socle Sudalpin avec la zone des racines de l’Austroalpin et du Pennique. Les phases de déformation et les structures géologiques qui peuvent être étudiées s'étalent sur une période comprise entre environ 35 Ma et l'actuel. L’étude détaillée de terrain a mis en évidence la présence de nombreuses roches et structures de déformation de type ductile et cassant tels que des mylonites, des cataclasites, des pseudotachylites, des kakirites, des failles minéralisées, des gouges de faille et des plis. Sur le terrain on a pu distinguer au moins quatre générations de plis liés aux différentes phases de déformation. Le nombre et la complexité de ces structures indiquent une histoire très compliquée, selon plusieurs étapes distinctes, parfois liées, voire même superposées. Une partie de ces structures de déformation affectent aussi les dépôts sédimentaires d’âge quaternaire, notamment des limons et des sables lacustres. Ces sédiments constituent les restes d'un bassin lacustre attribué à l'époque interglaciaire Riss/Würm (éemien, 67.000-120.000 ans) et ils affleurent dans la partie centrale de la zone étudiée, à l'Est de la plaine de Santa Maria Maggiore. Ces sédiments montrent en leur sein toute une série de structures de déformation tels que des plans de faille inverses, des structures conjuguées de raccourcissement et des véritables plis. Ces failles et ces plis représenteraient les évidences de surface d’une déformation probablement active en époque quaternaire. Une autre formation rocheuse a retenu tout notre attention; il s'agit d'un corps de brèches péridotitiques monogéniques qui affleure en discontinuité le long du versant méridional et le long du fond de la vallée Vigezzo sur environ 20 km. Ces brèches se posent indifféremment sur le socle (unités Finero, Orselina) ou sur les sédiments lacustres. Elles sont traversées par des plans de failles qui développent des véritables stries de faille et des gouges de faille; l’orientation de ces plans est la même que celle affectant les failles à gouges du socle. La genèse de cette brèche est liée à l'altération et au modelage glacier (rock-glaciers) d'une brèche tectonique originelle qui borde la partie externe du Corps de Finero. Les structures de déformation de cette brèche, pareillement à celles des sédiments lacustres, ont été considérées comme les évidences de surface d'une tectonique quaternaire active dans la région. La dernière phase de déformation cassante qui affecte cette région peut donc être considérée comme active en époque quaternaire. Une vue d’ensemble de la région étudiée nous permet de reconnaître à l’échelle régionale une zone de cisaillement complexe orientée E-W, parallèlement à l’axe de la vallée Centovalli-Val Vigezzo. Les données de terrain, indiquent que cette zone de cisaillement débute sous conditions ductiles et évolue en plusieurs étapes jusqu’à des conditions de failles cassantes de surface. La reconstruction de l'évolution géodynamique de la région a permis de définir trois étapes distinctes qui marquent le passage, de ce secteur de socle cristallin, de conditions P-T profondes à des conditions de surface. Dans ce contexte, on a reconnu trois phases principales de déformation à l’échelle régionale qui caractérisent ces trois étapes. La phase la plus ancienne est constituée par des mylonites en faciès amphibolite, associées à des mouvements de cisaillement dextre, qui sont ensuite remplacés par des mylonites en faciès schistes verts et des plis rétrovergentes liés au rétrocharriage des nappes alpines. Une deuxième étape est identifiée par le développement d’une phase hydrothermale liée à un système de failles extensives et décrochantes dextres à direction principale E-W, NE-SW et NW-SE. Leur caractérisation minéralogique a permis la mise en évidence des phases cristallines de néoformation liées à cet événement constituées par : K-feldspath (microcline), chlorites (Fe+Mg), épidotes, prehnite, zéolites (laumontite), sphène, calcite. Dans ce contexte, pour obtenir une meilleure caractérisation de cet événement hydrothermal on a utilisé des géothermomètres sur chlorites, sensible aussi à la pression et a la a(H2O), qui ont donné des valeurs descendantes comprises entre 450-200°C. Les derniers mouvements sont mis en évidence par le développement d’une série de plans majeurs de failles à gouge, qui forment une structure en sigmoïdes d’épaisseur kilométrique reconnaissable à l’échelle de la vallée et caractérisée par des mouvements transpressifs avec une composante décrochante dextre toujours importante. Cette phase de déformation forme un système conjugué de failles avec direction moyenne E-W qui coupent la zone des racines des nappes alpines, la zone du Canavese et le corps ultramafique de Finero. Ce système se déroule de manière subparallèle à l'axe de la vallée le long de plusieurs dizaines de kilomètres. Une analyse complète et détaillée des gouges de faille par XRD a montré que la fraction argileuse (<2 µm) de ces gouges contient une partie de néoformation très importante constituée par, des illites, des chlorites et des interstratifiés de type illite/smectite ou chlorite/smectite. Des datations avec méthode K-Ar sur ces illites ont donné des valeurs comprises entre 12 et 4 Ma qui représentent l'âge de cette dernière déformation cassante. L'application de la méthode de la cristallinité de l'illite (C.I.) a permis d'évaluer les conditions thermiques qui caractérisent le déroulement de cette dernière phase tectonique qui se produit sous conditions de température caractéristiques de l'anchizone et de la diagenèse. L'ensemble des structures de déformation qu'on vient de décrire s'insère parfaitement dans le contexte de convergence oblique entre la plaque adriatique et celle européenne qui à produit l'orogène alpin. On peut considérer les structures tectoniques du Val Vigezzo-Centovalli comme l'expression d'une zone majeure de cisaillement "Simplo-Insubrienne". L'empilement structural et les structures tectoniques affleurantes dans la région sont le résultat de l'interaction entre un régime tectonique transpressif et un régime transtensif. Ces deux champs de tension sont antagonistes entre eux mais sont reliés, de toute façon, à une seule phase décrochante dextre principale, due à une convergence oblique entre deux plaques. À l'échelle de l'évolution géodynamique on peut distinguer différentes étapes au cours desquelles les structures de ces deux régimes tectoniques interagissent en manière différente. En accord avec les données géophysiques et les reconstructions paléodynamiques prises dans la littérature on considère que la ligne Rhône-Simplon-Centovalli représente l'évidence de surface de la suture majeure profonde entre la plaque Adriatique et celle Européenne. Les vitesses de soulèvement qui ont été calculées dans cette étude pour cette région des Alpes donnent une valeur moyenne de 0.8 mm/a qui est tout à fait comparable avec les données proposées par la littérature sur cette zone. La zone Val Vigezzo-Centovalli peut être donc considérée comme un carrefour géologique où se croisent différentes phases tectoniques qui représentent les évidences de surface d'une suture profonde majeure entre deux plaques dans un contexte de collision continentale. ABSTRACT: A wide and complex tectonic zone known as Centovalli line, crosses the Central Alps sector between Domodossola and Locarno. This area, formed by the Vigezzo Valley and Centovalli valley, constitutes the southernmost termination of the Lepontin dome and represents a portion of the alpine nappes root zone. It belongs to a large and complex shear-zone, partly associated with hydrothermal phenomena of alpine age (<20 My), which includes the Insubric Line and the Simplon fault zone. Vigezzo Valley and Centovalli constitute a real crossroads between the mains alpines tectonics lines as well as a zone of juxtaposition of the Southalpine basement with the Austroalpin and Pennique root zone. The deformation phases and the geological structures that can be studied between approximately 35 My and the present. The detailed field study showed the presence of many brittle and ductile deformation structures and fault rocks such as mylonites, cataclasites, pseudotachylites, kakirites, mineralized faults, fault gouges and folds. In the field we could distinguish at least four folds generations related to the various deformation phases. The number and the complexity of these structures indicate a very complicated history, comprising several different stages, that sometimes are related and even superimposed. Part of these deformation structures affect also the sedimentary deposits of quaternary age, in particular the silts and sands lake deposit. These sediments constitute the remainders of a lake basin ascribed to the interglacial Riss/Würm (Eemien, 67.000-120.000 years) and outcroping in the central part of the studied area, in the Eastern part of Santa Maria Maggiore plain. These sediments show a whole series of deformation structures such as inverse fault planes, combined shortening structures and true folds. These faults and folds would represent the surface evidence of a probably active tectonic deformation in quaternary time. Another rock formation attracted all our attention. It is a body of monogenic peridotite breccia which outcrops in discontinuity along the southernmost slope and the bottom of the Vigezzo valley on approximately 20 km. This breccia lies indifferently on the basement (Finero and Orselina units) or on the lake sediments. They are crossed by fault planes which developed slikenside and fault gouges whose orientation is the same of the faults gouges in the alpine basement. This breccia results from the weathering and the surface modelling of an original tectonic breccia which borders the external part of Finero peridotite body. This breccia deformation structures, like those of the lake sediments, were regarded as the surface interaction of active quaternary tectonics in the area. So the last brittle deformation phases which affects this area seems to be actives in quaternary time. Theoverall picture of the studied area on a regional scale enables us to point out a complex shear-zone directed E-W, parallel to the axis of the Centovalli and Vigezzo Valley. The field analysis indicates that this shear-zone began under ductile conditions and evolved in several stages to brittle faulting under surface conditions. The analysis of the geodynamic evolution of the area allows to define three different stages which mark the transition of this alpine basement root zone, from deep P-T conditions to P-T surface conditions. In this context on regional scale three principal deformation phases, which characterize these three stages can be distinguished. The oldest phase consisted of the amphibolitie facies mylonites, associated to dextral strikeslip movements. They are then replaced by green-schists facies mylonites and backfolds related to the backthrusting of the alpines nappes. A second episode is caracterized by the development of an hydrothermal phase bound to an extensive fault and dextral strike-slip fault system, with E-W, NW-SE and SE-NW principal directionsThe principal neoformed mineral phases related to this event are: K-feldspar (microcline), chlorites (Fe+Mg), epidotes prehnite, zéolites (laumontite), sphene and calcite. In this context, to obtain a better characterization of this hydrothermal event, we have used an chlorite geothermometer, sensitive also to the pressure and has the a(H2O), which gave downward values ranging between 450-200°C. The last movements are caracterized by the development of important gouge fault plans, which form a sigmoid structure of kilometric thickness which is recognizable at the valley scale, and is characterized by transpressive movements always with a significant dextral strike-slip component. This deformation phase forms a combined faults system with an average E-W direction, which cuts trough the alpine root zone, the Canavese zone and the Finero ultramafic body. This fault system takes place subparallel to the axis of the valley over several tens of kilometers. A complete and detailed XRD analysis of the gouges fault showed that the clay fraction (<2µm) contains a very significant neo-formation of illite, chlorites and mixed layered clays such as illite/smectite or chlorite/smectite. The K-Ar datings of the illite fraction <2µm gave values ranging between 12 and 4 My and the illite fraction <0.2µm gave more recents values until to 2,4-0 My.This values represent the age of this last brittle deformation. The application of the illite crystallinity method (C.I.) allowed evaluating the thermal conditions which characterize this tectonic phase that occured under temperature conditions of the anchizone and diagenesis. The whole set of deformation structures which we just described, perfectly fit the context of oblique convergence between the Adriatic and the European plate that produced the alpine orogen. We can regard the Vigezzo valley and Centovalli tectonic structures as the expression of a major "Simplo-Insubric" shear-zone. Structural stacking and tectonic structures that outcrop in the studied area, are the result of the interaction between a transpressive and a transtensve tectonic phases. These two tension fields are antagonistic but they are also connected, in any event, with only one principal dextral strike-slip movement, caused by an oblique convergence between two plates. On the geodynamic evolution scale we can distinguish various stages during which these two tectonic structures fields interact in various ways. In agreement with the geophysical data and the paleodynamic recostructions taken in the literature we considers that the Rhone-Simplon-Centovalli line are the surface feature of the major collision between the Adriatique and the European plate at depth. The uplift speeds we calculated in this study for this Alpine area give an average value of 0.8 mm/a, which is in good agreement with the data suggested by the literature on this zone. TheVigezzo Valley and Centovalli zone can therefore be regarded as a geological crossroad where various tectonic phases are superimposed. They represent the evidences of a major and deeper suture between two plates in a continental collision context.

Tectonic and metamorphic evolution of the Central Himalayan Domain in Southeast Zanskar (Kashmir, India)

La région du Zanskar, étudiée dans le cadre de ce travail, se situe au passage entre deux domaines himalayens fortement contrastés, la Séquence Cristalline du Haut Himalaya (HHCS), composée de roches métamorphiques et l'Himalaya Tethysien (TH), composé de séries sédimentaires. La transition entre ces deux domaines est marquée par une structure tectonique majeure, la Zone de Cisaillement du Zanskar (ZSZ), au sein de laquelle on observe une augmentation extrêmement rapide, mais néanmoins graduelle, du degré du métamorphisme entre le TH et le HHCS. Il a été établi que le HHCS n'est autre que l'équivalent métamorphique des séries sédimentaires de la base du TH. C'est principalement lors d'un épisode de mise en place de nappes à vergence sudouest, entre l'Eocène moyen et l'Oligocène, que les séries sédimentaires de la base du TH ont été entraînées en profondeur où elles ont subi un métamorphisme de type barrovien. Au début du Miocène, le HHCS à été exhumé en direction du sud-ouest sous forme d'une grande nappe, délimitée a sa base par le MCT (principal chevauchement central) et à son sommet par la Zone de Cisaillement du Zanskar. L'ensemble des zones barroviennes, de la zone à biotite jusqu'à la zone à disthène, a été cisaillée par les mouvements en faille normale au sommet du HHCS et se retrouve actuellement sur une épaisseur d'environ 1 kilomètre au sein de la ZSZ. La décompression associée à l'exhumation du HHCS a provoqué la fusion partielle d'une partie du HHCS et a donné naissance à des magmas de composition leucogranitiques. Grâce à la géothermobarometrie, et connaissant la géométrie de la ZSZ, il nous a été possible de déterminer que le rejet le long de cette structure d'extension est d'au moins 35?9 kilomètres. Une série d'arguments nous permet cependant de suggérer que ce rejet aurait pu être encore bien plus important (~100km). Les données géochronologiques nous permettent de contraindre la durée des mouvements d'extension le long de la ZSZ à 2.4?0.2 Ma entre 22.2?0.2 Ma et 19.8?0.1 Ma. Ce travail apporte de nouvelles données sur les processus métamorphiques, magmatiques et tectoniques liés aux phénomènes d'extension syn-orogeniques.<br/><br/>The southeastern part of Zanskar is located at the transition between two major Himalayan domains of contrasting metamorphic grade, the High Himalayan Crystalline Sequence (HHCS) and the Tethyan Himalaya (TH). The transition between the TH and the HHCS is marked by a very rapid, although perfectly gradual, decrease in metamorphic grade, which coincides with a major tectonic structure, the Zanskar Shear Zone (ZSZ). It is now an established fact that the relation between the HHCS and the TH is not one of basement-cover type, but that the metasedimentary series of the HHCS represent the metamorphic equivalent of the lowermost sedimentary series of the TH. This transformation of sedimentary series into metamorphic rocks, and hence the differentiation between the TH and the HHCS, is the consequence of crustal thickening associated to the formation of large scale southwest vergent nappes within the Tethyan Himalaya sedimentary series. This, Middle Eocene to Oligocene, episode of crustal thickening and associated Barrovian metamorphism is followed, shortly after, by the exhumation of the HHCS as a, large scale, south-west vergent, nappe. Foreword The exhumation of the HHCS nappe is marked by the activation of two contemporaneous structures, the Main Central Thrust at its base and the Zanskar Shear Zone at its top. Extensional movements along the ZSZ, caused the Barrovian biotite to the kyanite zones to be sheared and constricted within the ~1 km thick shear zone. Decompression associated with the exhumation of the HHCS induced the formation of leucogranitic magmas through vapour-absent partial melting of the highest-grade rocks. The combination of geothermobarometric data with a geometric model of the ZSZ allowed us to constrain the net slip at the top of the HHCS to be at least 35?9 kilometres. A set of arguments however suggests that these movements might have been much more important (~ 100 km). Geochronological data coupled with structural observations constrain the duration of ductile shearing along the ZSZ to 2.4?0.2 Ma between 22.2?0.2 Ma and 19.8?0.1 Ma. This study also addresses the consequences of synorogenic extension on the metamorphic, tectonic and magmatic evolution of the upper parts of the High Himalayan Crystalline Sequence.

Three-dimensional hydrodynamic numerical modelling of fold nappe formation, basement-cover deformation and slab detachment with applications to the helvetic nappe system (W Switzerland)

Many three-dimensional (3-D) structures in rock, which formed during the deformation of the Earth's crust and lithosphere, are controlled by a difference in mechanical strength between rock units and are often the result of a geometrical instability. Such structures are, for example, folds, pinch-and-swell structures (due to necking) or cuspate-lobate structures (mullions). These struc-tures occur from the centimeter to the kilometer scale and the related deformation processes con-trol the formation of, for example, fold-and-thrust belts and extensional sedimentary basins or the deformation of the basement-cover interface. The 2-D deformation processes causing these structures are relatively well studied, however, several processes during large-strain 3-D defor-mation are still incompletely understood. One of these 3-D processes is the lateral propagation of these structures, such as fold and cusp propagation in a direction orthogonal to the shortening direction or neck propagation in direction orthogonal to the extension direction. Especially, we are interested in fold nappes which are recumbent folds with amplitudes usually exceeding 10 km and they have been presumably formed by ductile shearing. They often exhibit a constant sense of shearing and a non-linear increase of shear strain towards their overturned limb. The fold axes of the Morcles fold nappe in western Switzerland plunges to the ENE whereas the fold axes in the more eastern Doldenhorn nappe plunges to the WSW. These opposite plunge direc-tions characterize the Rawil depression (Wildstrubel depression). The Morcles nappe is mainly the result of layer parallel contraction and shearing. During the compression the massive lime-stones were more competent than the surrounding marls and shales, which led to the buckling characteristics of the Morcles nappe, especially in the north-dipping normal limb. The Dolden-horn nappe exhibits only a minor overturned fold limb. There are still no 3-D numerical studies which investigate the fundamental dynamics of the formation of the large-scale 3-D structure including the Morcles and Doldenhorn nappes and the related Rawil depression. We study the 3-D evolution of geometrical instabilities and fold nappe formation with numerical simulations based on the finite element method (FEM). Simulating geometrical instabilities caused by sharp variations of mechanical strength between rock units requires a numerical algorithm that can accurately resolve material interfaces for large differences in material properties (e.g. between limestone and shale) and for large deformations. Therefore, our FE algorithm combines a nu-merical contour-line technique and a deformable Lagrangian mesh with re-meshing. With this combined method it is possible to accurately follow the initial material contours with the FE mesh and to accurately resolve the geometrical instabilities. The algorithm can simulate 3-D de-formation for a visco-elastic rheology. The viscous rheology is described by a power-law flow law. The code is used to study the 3-D fold nappe formation, the lateral propagation of folding and also the lateral propagation of cusps due to initial half graben geometry. Thereby, the small initial geometrical perturbations for folding and necking are exactly followed by the FE mesh, whereas the initial large perturbation describing a half graben is defined by a contour line inter-secting the finite elements. Further, the 3-D algorithm is applied to 3-D viscous nacking during slab detachment. The results from various simulations are compared with 2-D resulats and a 1-D analytical solution. -- On retrouve beaucoup de structures en 3 dimensions (3-D) dans les roches qui ont pour origines une déformation de la lithosphère terrestre. Ces structures sont par exemple des plis, des boudins (pinch-and-swell) ou des mullions (cuspate-lobate) et sont présentés de l'échelle centimétrique à kilométrique. Mécaniquement, ces structures peuvent être expliquées par une différence de résistance entre les différentes unités de roches et sont généralement le fruit d'une instabilité géométrique. Ces différences mécaniques entre les unités contrôlent non seulement les types de structures rencontrées, mais également le type de déformation (thick skin, thin skin) et le style tectonique (bassin d'avant pays, chaîne d'avant pays). Les processus de la déformation en deux dimensions (2-D) formant ces structures sont relativement bien compris. Cependant, lorsque l'on ajoute la troisiéme dimension, plusieurs processus ne sont pas complètement compris lors de la déformation à large échelle. L'un de ces processus est la propagation latérale des structures, par exemple la propagation de plis ou de mullions dans la direction perpendiculaire à l'axe de com-pression, ou la propagation des zones d'amincissement des boudins perpendiculairement à la direction d'extension. Nous sommes particulièrement intéressés les nappes de plis qui sont des nappes de charriage en forme de plis couché d'une amplitude plurikilométrique et étant formées par cisaillement ductile. La plupart du temps, elles exposent un sens de cisaillement constant et une augmentation non linéaire de la déformation vers la base du flanc inverse. Un exemple connu de nappes de plis est le domaine Helvétique dans les Alpes de l'ouest. Une de ces nap-pes est la Nappe de Morcles dont l'axe de pli plonge E-NE tandis que de l'autre côté de la dépression du Rawil (ou dépression du Wildstrubel), la nappe du Doldenhorn (équivalent de la nappe de Morcles) possède un axe de pli plongeant O-SO. La forme particulière de ces nappes est due à l'alternance de couches calcaires mécaniquement résistantes et de couches mécanique-ment faibles constituées de schistes et de marnes. Ces différences mécaniques dans les couches permettent d'expliquer les plissements internes à la nappe, particulièrement dans le flanc inver-se de la nappe de Morcles. Il faut également noter que le développement du flanc inverse des nappes n'est pas le même des deux côtés de la dépression de Rawil. Ainsi la nappe de Morcles possède un important flanc inverse alors que la nappe du Doldenhorn en est presque dépour-vue. A l'heure actuelle, aucune étude numérique en 3-D n'a été menée afin de comprendre la dynamique fondamentale de la formation des nappes de Morcles et du Doldenhorn ainsi que la formation de la dépression de Rawil. Ce travail propose la première analyse de l'évolution 3-D des instabilités géométriques et de la formation des nappes de plis en utilisant des simulations numériques. Notre modèle est basé sur la méthode des éléments finis (FEM) qui permet de ré-soudre avec précision les interfaces entre deux matériaux ayant des propriétés mécaniques très différentes (par exemple entre les couches calcaires et les couches marneuses). De plus nous utilisons un maillage lagrangien déformable avec une fonction de re-meshing (production d'un nouveau maillage). Grâce à cette méthode combinée il nous est possible de suivre avec précisi-on les interfaces matérielles et de résoudre avec précision les instabilités géométriques lors de la déformation de matériaux visco-élastiques décrit par une rhéologie non linéaire (n>1). Nous uti-lisons cet algorithme afin de comprendre la formation des nappes de plis, la propagation latérale du plissement ainsi que la propagation latérale des structures de type mullions causé par une va-riation latérale de la géométrie (p.ex graben). De plus l'algorithme est utilisé pour comprendre la dynamique 3-D de l'amincissement visqueux et de la rupture de la plaque descendante en zone de subduction. Les résultats obtenus sont comparés à des modèles 2-D et à la solution analytique 1-D. -- Viele drei dimensionale (3-D) Strukturen, die in Gesteinen vorkommen und durch die Verfor-mung der Erdkruste und Litosphäre entstanden sind werden von den unterschiedlichen mechani-schen Eigenschaften der Gesteinseinheiten kontrolliert und sind häufig das Resulat von geome-trischen Istabilitäten. Zu diesen strukturen zählen zum Beispiel Falten, Pich-and-swell Struktu-ren oder sogenannte Cusbate-Lobate Strukturen (auch Mullions). Diese Strukturen kommen in verschiedenen Grössenordungen vor und können Masse von einigen Zentimeter bis zu einigen Kilometer aufweisen. Die mit der Entstehung dieser Strukturen verbundenen Prozesse kontrol-lieren die Entstehung von Gerbirgen und Sediment-Becken sowie die Verformung des Kontaktes zwischen Grundgebirge und Stedimenten. Die zwei dimensionalen (2-D) Verformungs-Prozesse die zu den genannten Strukturen führen sind bereits sehr gut untersucht. Einige Prozesse wäh-rend starker 3-D Verformung sind hingegen noch unvollständig verstanden. Einer dieser 3-D Prozesse ist die seitliche Fortpflanzung der beschriebenen Strukturen, so wie die seitliche Fort-pflanzung von Falten und Cusbate-Lobate Strukturen senkrecht zur Verkürzungsrichtung und die seitliche Fortpflanzung von Pinch-and-Swell Strukturen othogonal zur Streckungsrichtung. Insbesondere interessieren wir uns für Faltendecken, liegende Falten mit Amplituden von mehr als 10 km. Faltendecken entstehen vermutlich durch duktile Verscherung. Sie zeigen oft einen konstanten Scherungssinn und eine nicht-lineare zunahme der Scherverformung am überkipp-ten Schenkel. Die Faltenachsen der Morcles Decke in der Westschweiz fallen Richtung ONO während die Faltenachsen der östicher gelegenen Doldenhorn Decke gegen WSW einfallen. Diese entgegengesetzten Einfallrichtungen charakterisieren die Rawil Depression (Wildstrubel Depression). Die Morcles Decke ist überwiegend das Resultat von Verkürzung und Scherung parallel zu den Sedimentlagen. Während der Verkürzung verhielt sich der massive Kalkstein kompetenter als der Umliegende Mergel und Schiefer, was zur Verfaltetung Morcles Decke führ-te, vorallem in gegen Norden eifallenden überkippten Schenkel. Die Doldenhorn Decke weist dagegen einen viel kleineren überkippten Schenkel und eine stärkere Lokalisierung der Verfor-mung auf. Bis heute gibt es keine 3-D numerischen Studien, die die fundamentale Dynamik der Entstehung von grossen stark verformten 3-D Strukturen wie den Morcles und Doldenhorn Decken sowie der damit verbudenen Rawil Depression untersuchen. Wir betrachten die 3-D Ent-wicklung von geometrischen Instabilitäten sowie die Entstehung fon Faltendecken mit Hilfe von numerischen Simulationen basiert auf der Finite Elemente Methode (FEM). Die Simulation von geometrischen Instabilitäten, die aufgrund von Änderungen der Materialeigenschaften zwischen verschiedenen Gesteinseinheiten entstehen, erfortert einen numerischen Algorithmus, der in der Lage ist die Materialgrenzen mit starkem Kontrast der Materialeigenschaften (zum Beispiel zwi-schen Kalksteineinheiten und Mergel) für starke Verfomung genau aufzulösen. Um dem gerecht zu werden kombiniert unser FE Algorithmus eine numerische Contour-Linien-Technik und ein deformierbares Lagranges Netz mit Re-meshing. Mit dieser kombinierten Methode ist es mög-lich den anfänglichen Materialgrenzen mit dem FE Netz genau zu folgen und die geometrischen Instabilitäten genügend aufzulösen. Der Algorithmus ist in der Lage visko-elastische 3-D Ver-formung zu rechnen, wobei die viskose Rheologie mit Hilfe eines power-law Fliessgesetzes beschrieben wird. Mit dem numerischen Algorithmus untersuchen wir die Entstehung von 3-D Faltendecken, die seitliche Fortpflanzung der Faltung sowie der Cusbate-Lobate Strukturen die sich durch die Verkürzung eines mit Sediment gefüllten Halbgraben bilden. Dabei werden die anfänglichen geometrischen Instabilitäten der Faltung exakt mit dem FE Netz aufgelöst wäh-rend die Materialgranzen des Halbgrabens die Finiten Elemente durchschneidet. Desweiteren wird der 3-D Algorithmus auf die Einschnürung während der 3-D viskosen Plattenablösung und Subduktion angewandt. Die 3-D Resultate werden mit 2-D Ergebnissen und einer 1-D analyti-schen Lösung verglichen.