La collision Inde-Eurasie et la structure de la chaîne Himalayenne Cours L3/M1 ENS - TECTONIQUE M. Rodriguez, J. de Sigoyer rodriguez@geologie.ens.fr
Cinématique de la collision Inde-Eurasie Zone de déformation diffuse Kremer, 2003 Chamot-Rooke & Rabaute, CCGM, 2006
Chaînes latérales : Arakan à l Est, Makran-Kirthar-Sulaiman à l Ouest Pubellier et al., CCGM, 2008
Généralités Longueur 2 400 km Largeur de 250 à 400 km 14 sommets à plus de 8000m Problématiques Structure de l orogène? Âge de mise en place des structures? Âge des reliefs? Paléogéographie?
La collision Inde-Eurasie et la structure de la chaîne Himalayenne La chaîne Himalayenne actuelle Structure de la chaîne Himalayenne : de l affleurement à la lithosphère La formation de la chaîne Himalayenne
La collision Inde-Eurasie et la structure de la chaîne Himalayenne La chaîne Himalayenne actuelle Structure de la chaîne Himalayenne : de l affleurement à la lithosphère La formation de la chaîne Himalayenne
La chaîne Himalayenne actuelle : topographie Plateau tibétain : Altitude de 5000m en moyenne
Réseau de drainage et flux sédimentaire continent-océan INDUS GANGE Qayyum et al., 1997
La chaîne Himalayenne actuelle : Structure Hatzfeld & Molnar, Rev. Geophys., 2010
La chaîne Himalayenne actuelle : sismicité Hatzfeld & Molnar, Rev. Geophys., 2010
La chaîne Himalayenne actuelle : cinématique Convergence N20 Vitesse de convergence: 5.4cm/an selon Nuvel 1A (DeMets et al., 1994) Entre 4 et 4.7 cm/an selon autres estimations (Paul et al., 2001; Socquet et al., 2002) 1.8 cm/an sont absorbés par du raccourcissement à travers la chaîne himalayenne (Molnar and Lyon-Caen, 1989; Bilham et al., 1997) le reste est distribué du Tibet à la Mongolie (Molnar and Tapponnier, 1975, 1977).
La chaîne Himalayenne actuelle : gravimétrie Hatzfeld & Molnar, Rev. Geophys., 2010
La chaîne Himalayenne actuelle : gravimétrie Anomalie de Bouguer -300mgal sous la haute chaine Plateau Tibétain la plus vaste zone d anomalie de Bouger négative sur Terre (-500 mgal) croûte épaissie Pas d anomalie positive comme dans les Alpes (Zone d Ivrée) Jimenez Munt et al., 2007
La chaîne Himalayenne actuelle : épaisseur crustale Jusqu à env. 70-80 km Hatzfeld & Molnar, Rev. Geophys., 2010
La collision Inde-Eurasie et la structure de la chaîne Himalayenne La chaîne Himalayenne actuelle Structure de la chaîne Himalayenne : de l affleurement à la lithosphère Structure générale La formation de la chaîne Himalayenne
Les domaines structuraux de la chaîne Himalayenne Altyn-Tagh Karakorum Qiangtang Songpan-Ganze MFT Lhasa Indus Tsangpo suture Indus Tsangpo suture : Limite entre Inde & Eurasie
Structure générale de la chaîne Himalayenne Hatzfeld & Molnar, Rev. Geophys., 2010
Structure générale de la chaîne Himalayenne Plusieurs unités structurales, séparées par des failles majeures Les Siwaliks, limités au sud par la chevauchement frontal et au nord par le chevauchement bordier Le Moyen Himalaya chevauche les Siwalik au niveau du chevauchement bordier (MBT, Main Boundary Thrust), et est chevauché par le Haut-Himalaya au niveau du chevauchement central (MCT, Main Central Thrust) Le Haut-Himalaya chevauche le moyen Himalaya au niveau du MCT; la partie cristalline (HHC High Himalayan Cristalline) est désolidarisée de la couverture sédimentaire de la marge indienne téthysienne au niveau du détachement sud tibétain (STDS) ou faille nord-himalayenne (FNH) La série de la téthys-himalaya est plissée, et découpée en une série de nappes. Elle est détachée de son socle via le STDS, et elle est chevauchée au nord par la zone de suture La suture de l Indus-Tsangpo marque la limite Inde-Eurasie. Les unités de la suture ont un double déversement et chevauchent le domaine «téthys-himalaya» au sud, comme la marge tibétaine au nord Caractéristiques de chaque domaine, et de leurs frontières, des domaines externes (au sud) vers les domaines internes (au nord)
La collision Inde-Eurasie et la structure de la chaîne Himalayenne La chaîne Himalayenne actuelle Structure de la chaîne Himalayenne : de l affleurement à la lithosphère Structure générale Structure de la chaîne, domaine par domaine La formation de la chaîne Himalayenne
Au sud de l Indus-Tsangpo
La chaîne subhimalayenne: stratigraphie Séquence détritique des SIWALIKS (molasse, conglomérats, grès, pélites) d âge Miocène moyen à Pléistocène Changement environnemental (plantes C3 =>C4) autour de 8 Ma
Himalayan Main Frontal Thrust MFT dans dépôts Quaternaire le plus souvent le chevauchement est aveugle
Himalayan Main Frontal Thrust Duplex Chevauchement aveugle Zone active dès ~3.5Ma Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010 coupes de l ouest du Népal
Au sud de l Indus-Tsangpo
Le Moyen Himalaya : stratigraphie Moyen Himalaya Quartzite, Shistes, marbres, phyllites, orthogneiss, diverses roches métamorphiques Faciès schiste vert Âge des roches mésoprotérozoïque à cambrien inf. Les séries du Moyen Himalaya correspondent à l ancienne marge septentrionale de l Inde Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Le chevauchement bordier principal
Le Moyen Himalaya : structure Limité par le chevauchement bordier (MBT) et le chevauchement central (MCT) Plusieurs chevauchements de second ordre structurent l unité Les séries du Haut Himalaya sont localement présentes sous la forme de klippe (allochtone) Structuration du Moyen Pays autour de 20 Ma MBT actif de 12 à 2 Ma; reste actif au Bhoutan Terrains sédimentaires des klippes Terrains sédimentaires au faciès schiste vert à amphibolite, localement intrudés par des corps plutoniques d environ 470-490 Ma Ancienne marge Nord Indienne; séries originaires d un domaine plus septentrional de la marge que l autochtone Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Au sud de l Indus-Tsangpo
Le chevauchement central Entre le Haut Himalaya très métamorphique et les nappes moins métamorphiques du Moyen Himalaya, il n'y a pas un chevauchement unique bien défini, mais toute une zone de cisaillement intense et hétérogène. S N Le MCT Zone de cisaillement de plus de 1 km d épaisseur. Cette zone de cisaillement maximal correspond parfois à l isograde du disthène
Le chevauchement central
Moyen Himalaya & chevauchement central Structure et distribution des faciès métamorphiques Le métamorphisme inverse Himalayen micaschistes à musc-grt et amph-grt (dans zone de métamorphisme inverse) (S. Guillot) Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Au sud de l Indus-Tsangpo
Haut Himalaya- complexe cristallin Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Haut Himalaya- complexe cristallin Terrains cristallins gneissiques, (Env. 560 Ma pour le protololithe) Leucogranites cénozoïques (10 à 20 Ma) au sommet Zone métamorphique axiale de la chaîne Limitée au sud par le «Main Central Thrust» Au nord par le «South Tibetan Detachment System» Searle et al., 2008
Le chevauchement central et la Haut-Himalaya Cristallin Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Evolution pétrologique disthène cd+ S L intensité du métamorphisme décroît vers le N pour augmenter à proximité du détachement sud tibétain N
Le Cristallin du haut Himalaya HHC = Dalle du Tibet= écaille crustale de 5-15 km = sédiments fin protérozoïque de la marge indienne (560 MA). Limite sud = MCT Limite Nord = STDS ou FNNH HHC métamorphisé sous faciès amphibolite à granulite
Le détachement sud-tibétain Carosi et al., J. Asian Earth Sci., 1998
Le détachement sud-tibétain (ou faille nord himalayenne) Double cisaillement Les cisaillements sont dirigés vers le Nord Série sédimentaire du Téthys Himalaya sur le détachement Carosi et al., J. Asian Earth Sci., 1998
Le cisaillement ductile associé au détachement sud tibétain Carosi et al., J. Asian Earth Sci., 1998
La partie cassante du détachement sud tibétain, marquée par des cataclasites Carosi et al., J. Asian Earth Sci., 1998
Les leucogranites au sommet de la dalle, liés au fonctionnement du détachement sud tibétain au Miocène Manalsu Lames minces de leucogranites du Manaslu (S. Guillot). Cliché A : leucogranite (quartz plagioclase sodique feldspath potassique) à muscovite ± biotite ± tourmaline. Noter que les muscovites sont orientées, définissant des bandes de cisaillement synmagmatiques Cliché B : leucogranite à tourmaline Mise en place par «channel flow»? Ou autres mécanismes? Whipple, Nat. Geosci., 2009
Au sud de l Indus-Tsangpo
La série téthysienne Série stratigraphique de la marge continentale indienne sur plus de 10 km d épaisseur, de l Ordovicien à l Eocène Caractéristique d une marge passive subsidente Plate forme carbonatées de la marge passive Basaltes permiens marquent le rifting de la Téthys édiments Téthysiens épaisseur de 7400m (+2400m sédiments érodés (Trias-Jurrassique-Crétacé))
Marge passive Indienne S Approfondissement du bassin N Très nombreux fossiles ex Blanfordiceras wallichi du Torthonien Plateforme Calcaires ordovicien forment les sommets de l Everest, de l Annapurna Séquence pélagique de Lamayuru Près de 500 Ma d histoire du craton indien puis de la marge indienne, au sud de la Téthys, marquée par de nombreuses variations de faciès au gré des variations du niveau marin, de nombreuses discordances, et même des trapps du Permien (Panjal, 2000 m d épaisseur) Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Série du Téthys Himalaya, signification Base Protérozoïque sup-cambrien : vestiges de l effondrement de l orogène panafricain Paléozoïque : bassin épicratonique peu subsident Permien : trapp de Panjal, formé lors de la déchirure de la Pangée Trias-Eocène : marge sud téthysienne
Exemples de structures dans la série téthysienne Annapurna Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Exemples de structures dans la série téthysienne NW Zanskar Himalaya Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Les massifs cristallins Nord Himalayens Ex. du Tso Morari (12 000 à 20 000 km²), faciès éclogite rétromorphosé dans faciès amphibolite Le faciès éclogite du massif de Tso Morari, Indicateur de la subduction de la partie la plus distale de la marge indienne desigoyer et al., 1997, 2000
Le faciès éclogite du massif de Tso Morari Métamorphisme HP - BT Indicateur de la subduction de la partie la plus distale de la marge indienne
Cisaillement ductile formé lors de l exhumation du dôme de Tso Morari Epard & Steck, Tectonophysics, 2008
Les massifs cristallins Nord Himalayens Ex. des granites cénozoïques (autour de 20 Ma) (Dolpo-Mugu; Mustang) : origine anatectique Dolpo-Mugu
Structure en nappes de la série téthysienne Ophiolite en klippe Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
La suture de l Indus-Tsangpo
La suture de l Indus-Tsangpo Zone de collision Inde-Eurasie Métamorphisme des roches au faciès schiste bleu Turbidites Crétacé sup., bassin d avant arc Molasses de l Indus, d âge Eocène : premières séries continentales, marqueur de la collision => bassin molassique post-collisionnel Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
La mise en place de l Indus A.L. Henderson et al.,earth-science Reviews (2011)
Au front de la suture : les ophiolites, vestiges de la Néotéthys Xigase (2000 km²) Kiogar (3500 km²) Spontang (200 km²) Nidar Luobusa (70 km²) Ophiolites de supra-subduction (avant arc), avec des péridotites essentiellement harzburgitiques Âge du plancher océanique mesozoïque (entre 120 et 170 Ma selon les sites)
Péridotites de Spongtang au Ladakh Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Xigaze ophiolite View eastwards along the Yarlung-Tsangpo suture zone from Yenong. Ultramafic rocks of the Xigaze ophiolite crop out on the massif in the background of the photo
Nidar Ophiolite NE NE Pillow Lava Dykes
Reconstitutions de la marge indienne Greater India
Au nord de la suture de l Indus-Tsangpo : la marge asiatique
Les blocs de la marge asiatique Tibet : différents microblocs continentaux accrétés depuis le Paléozoïque Bloc de Lhasa formé par des roches +/- métamorphiques du précambrien; de séries sédimentaires du Mésozoïque, aussi métamorphisées Stampfli & Borel, EPSL, 2002
Ophiolites de la paléotéthys
Bloc de Lhasa Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010 Plissement Eocène lors de la collision Inde-Eurasie
L arc volcanique calco-alcalin de la subduction téthysienne : Les batholites de Ladakh et Gangdese Gangdese : Dimensions 2500x70 km Diorite-granodiorite calcoalcalins quelques traces de contamination continentale Mise en place principalement entre 80-100 Ma et 45-65 Ma Gangdese Ladakh -Kohistan: Dimensions 500x25 km pour le Ladakh; 300km de long pour le Kohistan Trois épisodes de mise en place : 70-100Ma; 50-70 Ma; 25-45 Ma Relation entre arc du Ladakh et le bloc de Lhassa? Problème du décrochement du Karakorum Double suture, paléogéographie du bloc controversée Le ladakh-kohistan est un ancien arc de subduction qui aurait été accrété à la marga asiatique à la fin du Crétacé Photographie du batholite du Ladakh à Nimu.
Subduction Océanique : caractérisé par un arc magmatique Batholithe Ladakh + Flysch dépôt d avant arc
Plis couché dans la vallée de Sarchu, Himalaya, Ladakh Quelques structures dans le Ladakh ensemble de «petits» plis dans la vallée de Sarchu, Himalaya, Ladakh Failles normales dans l'himalaya du Ladakh
La collision Inde-Eurasie et la structure de la chaîne Himalayenne La chaîne Himalayenne actuelle Structure de la chaîne Himalayenne : de l affleurement à la lithosphère Structure générale Structure de la chaîne, domaine par domaine Structures post-collisionnelles La formation de la chaîne Himalayenne
Molnar et al., Annu. Rev. Earth Sci., 2010
Réactivation postcollisionnelle Molnar & Stock, Tectonics, 2009
Extension et effondrement gravitaire de la chaîne (forces de volume) Harrison et al., Science, 1992
Les décrochements formés par extrusion latérale : les décrochements tibétains Altyn-Tagh Searle 2008
Les décrochements formés par extrusion latérale : les décrochements tibétains GPS Hatzfeld and Molnar, Rev. Geophysics, 2010
La collision Inde-Eurasie et la structure de la chaîne Himalayenne La chaîne Himalayenne actuelle Structure de la chaîne Himalayenne : de l affleurement à la lithosphère Structure générale Structure de la chaîne, domaine par domaine Structures post-collisionnelles Structure profonde de la chaîne La formation de la chaîne Himalayenne
Structure lithosphérique Argand, 1924 grt omph Conditions of eclogitization 25-30 kbar, 580-600 C Sachan et al., 2005 described diamond 40 kbar??? Coésite himalayenne en lame mince (lumière naturelle) Métabasaltes : Eclogite COESITE, OMPHACITE, GARNET, GLAUCOPHANE, PHENGITE Subduction continentale au niveau de Tso Morari par ex., ou dans la région d Islamabad (Pakistan) L hypothèse d une subduction continentale telle qu émise par Argand est vérifiée
Les éclogites du Pakistan O Brien et al., 2001
Modèle gravimétrique Himalaya Tibet Jimenez Munt et al., 2007 Fort épaississement de la lithosphère sous l Himalaya et le sud Tibet. Fort amincissement sous le Tibet central
Profil sismique passive Indepth 1995 : Au front de la collision Prisme : la chaîne d écailles Himalayenne: crustale Prisme d écailles de croûte continentale Coupe interprétative de la chaîne Himalayenne Profil SISMOLOGIQUE Indepth Inde sous Asie, écailles crustales, épaississement, MHT, MCT Rampe, fusion partielle
Sismique passive Fonction récepteur à travers la partie frontale de la chaîne et dans le plateau Tibétain Deep Hetényi 2007, Nabelec et al, 09 (Chen & Yang, 2004)
Main Himalayan Thrust Permettrait étalement gravitaire? Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
La collision Inde-Eurasie et l orogène Himalayen La chaîne Himalayenne actuelle Structure de la chaîne Himalayenne : de l affleurement à la lithosphère La formation de la chaîne Himalayenne
Chronologie de la déformation Structure générale de la chaîne Himalayenne Hatzfeld & Molnar, Rev. Geophys., 2010
Modèle de type «prisme» privilégie les forces aux limites Modèle de type «channel flow» privilégie les forces de volumes
Métamorphisme inverse dans le moyen Himalaya/ MCT : interprétations Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
Métamorphisme et histoire de la collision Métamorphisme pré-himalayen vers 70 Ma : collision arc Ladakh Kohistan avec Asie Age de la subduction de la marge indienne : Vers 57-55 Ma (de Sigoyer et al., 2000; Leech et al., 2005; Guillot et al., 2008) en accord avec le paleomag 55+ (Klootwijk et al., 1992 Acton, 1999) En désaccord avec la sédimento 1 er sédiment asiatique sur la marge indienne 52 Ma Ce qui suggère que les reliefs lors de la subduction de la marge indienne était bas pas d érosion Tso Morari marge distale de l Inde
Métamorphisme dans le HHC M1 =Métamorphisme Eohimalayen prograde de HP de 1-1,4 GPa 600-700 C vers 44-30 Ma granulite HP (ex Arun). Traduit l enfouissement précoce du HHC avant la relaxation thermique M2= Métamorphisme Néo Himalayen daté entre 23-16 Ma = pic thermique acquis pendant la décompression migmatisation 0.8 GPa 750-800 C Leucogranite M3= Métamorphisme Tardi himalayen 14-10 Ma; refroidissement 450-500 C 0.5-0.3 GPa marque la fin de l activité ductile du MCT; correspond au passage du MCT sur une rampe du MHT L activation du MBT se fait vers 10-12Ma Épisodes métamorphiques grossièrement contemporains avec les changements cinématiques enregistrés dans l Océan Indien?
Résumé de l histoire de la chaîne Guillot et al., G3, 2003 Mascle et al., Himalaya-Tibet : la collision continentale Inde-Eurasie, 2010
avant 55 Ma Vc =18cm/an De 55-35 Ma Vc>10 cm/an >2000 km De 35-0 Ma Vc>5 cm/an >1750 km Convergence totale >3750 km Données paléomagnétiques Mais de fortes incertitudes (de l ordre de 1000 km!!!) Molnar & Stock, Tectonics, 2009 Klootwick et al., 1992
La Grande Inde : controverses??? Longueur pré-collision de la marge? Différents scénarii de collision selon la forme de la grande Inde considérée
Problème dans les estimations du raccourcissement Un scénario extrême où la collision ne commencerait qu à 20 Ma Van Hinsbergen et al., PNAS, 2012
Une reconstitution possible de la chaîne au moment de la collision
HAFKENSCHEID ET AL, JGR, 2006 SLAB BREAK-OFF Around 45 Ma? Khon & Parkinson, Geology, 2002
Plusieurs Slab-break off? Guillot et al., G3, 2003
Clark, Nature, 2012 HAFKENSCHEID ET AL, JGR, 2006
Conclusions Timing de la collision? Dimensions de la Grande Inde? Signification des changements cinématiques enregistrés dans les océans? Formation des reliefs du haut Himalaya? Structure de la chaîne sous le plateau tibétain?
Suture de Shyok