Strain localization in oceanic detachment faults : the extreme case of a magma-starved slow spreading ridge

Abstract

La partie orientale de la dorsale sud-ouest indienne est particulièrement pauvre en apports magmatiques et constitue de ce fait un laboratoire naturel pour étudier l'accrétion océanique dans une configuration extrême, pour laquelle la divergence des plaques est presque complètement accommodée par le jeu de failles normales à grand rejet. Ces failles, également appelées failles de détachement, exhument des péridotites serpentinisées d'origine mantellaire sur le plancher océanique. Les mécanismes de déformation des roches mantelliques au cours de leur exhumation, avant leur passage dans le domaine de circulation de fluides hydrothermaux, sont peu connus. Nous avons étudié les textures de déformation et les mécanismes de localisation, ainsi que les assemblages minéralogiques associés, dans un corpus de presque 400 échantillons de péridotites serpentinisées draguées pendant la campagne SMoothSeafloor (2010). Tous les échantillons présentent à des degrés variables une déformation hétérogène combinant des mécanismes de déformation cassants (fractures, kinks) et plastiques (extinction ondulante, sous-joints, recristallisation dynamique). L’une des manifestations de cette déformation est la recristallisation syntectonique d’olivines et de pyroxènes au sein de kinks et de microfractures. Ces textures résultent de conditions de hautes contraintes et hautes températures en base de lithosphère, dans la zone d’enracinement des détachements. Ces observations microstructurales ont été intégrées dans un modèle thermomécanique 2D du domaine axial des dorsales lentes, qui explore deux mécanismes d'affaiblissement observés dans les échantillons: la serpentinisation (800°C). La combinaison de ces deux mécanismes permet la reproduction de failles de détachement dans une lithosphère épaisse (20-25 km), avec un relief et une fréquence qui sont consistantes avec celles observées sur notre zone d'étude.The Southwest Indian Ridge in its eastern part has particularly low magmatic inputs and is therefore a natural laboratory to study oceanic accretion in an extreme configuration for which the divergence of the plates is almost completely accommodated by large offset normal faults, also called detachment faults. These faults exhume mantle-derived peridotites. Very little is known about the deformation mechanisms that operate at the lower levels of the lithosphere, prior to serpentinization.We studied the deformation textures, analyze strain localization mechanisms, as well as mineralogical assemblages associated with these mechanisms from a corpus of almost 400 samples of serpentinized peridotites dredged during the SMoothSeafloor cruise (2010). All samples display heterogeneous deformation combining brittle (fracturation, kinks) and plastic mechanisms (undulose extinction, subgrain boundaries, dynamic recrystallization). For example, microfracturation and kinks are locally accompanied by partial recrystallization of the primary minerals into fine-grained aggregates along orthopyroxene grains. These textures result from high stress and high temperature conditions at the base of the lithosphere, where the root of the active detachment.We use these microstructural observations to constrain a 2D thermomechanical model of lithospheric extension, in which we explore two weakening mechanisms seen in the samples: serpentinization (temperatures 800°C). Combining the two, we develop detachment faults in a thick lithospheric context (20-25 km), with fault topography and offsets that are consistent with geological observations in the eastern SWIR