La collision hercynienne dans le Massif armoricain: mise en évidence d’une différentiation lithosphériqueà partir de la tomographie et del’anisotropie sismiques

Abstract

La chaîne hercynienne est un objet majeur en Europe. Elle résulte de la collision de deux blocs continentaux durant le Paléozoïque. Le Massif armoricain présente l’intérêt de n’avoir été affecté par aucun événement tectonique ou thermique majeur depuis la fin de la collision (≈ 260 Ma). Nous y avons donc l’opportunité d’étudier la structure profonde d’une ancienne chaîne de collision. Les principaux traits géologiques du Massif armoricain sont les zones de cisaillement nord- et sud-armoricaines, orientée respectivement E-W et NW-SE. Elles séparent le massif en trois domaines : les domaines nord-, centre- et sud-armoricain. Dans le but d’étudier la structure profonde de cette région, des réseaux sismologiques temporaires ont été installés en 1997 et 1999 dans le cadre du volet sismologique du projet ARMOR2-GéoFrance3D. Les stations temporaires, complétées par les sites permanents forment un réseau bidimensionnel dense de 80 stations couvrant une grande partie du Massif armoricain. Les données collectées durant ces expériences sont exploitées sous la forme d’un ensemble de temps d’arrivées d’ondes P et de formes d’ondes S télésismiques. Les méthodes utilisées pour l’imagerie du manteau supérieur sous le Massif armoricain consistent en la modélisation des variations de vitesse des ondes P et de l’anisotropie sismique. La tomographie de vitesse sismique est probablement l’outil le plus performant pour étudier l’intérieur de la Terre. Elle fournit des images structurales des régions étudiées sous la forme de perturbations de vitesse sismique qui représentent les effets de perturbations thermiques et/ou minéralogiques des milieux. Les études de laboratoire et les modélisations numériques montrent enfin que l’anisotropie sismique des roches du manteau supérieur reflètent l’orientation préférentielle des réseaux cristallins des grains d’olivine, représentant elle-même la fabrique tectonique de la roche, témoin des déformations passées, anciennes ou récentes. Un modèle de vitesse des ondes P a été calculé, il procure les images des perturbations de vitesse jusqu’à la profondeur de 200 km. Dans la partie supérieure, jusqu’à 130 km, les images sont dominées par des vitesses élevées dans les régions de l’ouest du massif et par des vitesses faibles dans les régions du sud et de l’est. Aucune structure superficielle n’est corrélée à la frontière N-S entre les anomalies dans la partie centrale du Massif armoricain. Dans la partie inférieure du modèle (130-200 km), on observe un brusque changement de l’organisation de l’image. Les perturbations de vitesse sont organisées selon trois zones allongées d’orientation NW-SE. Le domaine central, caractérisé par des vitesses élevées est séparé du domaine sud par une limite dont la localisation et l’orientation correspondent à celles de la Zone de cisaillement sud-armoricaine en surface. La limite nord du corps rapide central est localisée 50 à 70 km vers le nord et montre la même orientation. A toutes les profondeurs, on observe que le sud du Cisaillement sud-armoricain,c’est-à-dire le domaine sud-armoricain, est caractérisé par des anomalies négatives. Le Cisaillement nord-armoricain ne montre aucune corrélation avec le modèle de vitesse. Au contraire, l’anisotropie des ondes Pn est fortement corrélée à la direction du Cisaillement sud-armoricain dans le sud du massif et à la direction du Cisaillement nord-armoricain dans le nord du massif. Cette corrélation n’est pas observée pour les onde SKS qui montrent une direction rapide NW-SE à travers tout le massif. Cependant, on distingue 2 groupes de mesures : au sud, le délai moyen est de 1,25 s alors qu’au nord, il est de 0,8 s. En supposant un taux d’anisotropie de l’ordre de 3 %, ces valeurs correspondent à des épaisseurs de l’ordre de 120 et 80 km, respectivement. De plus, une modélisation tridimensionnelle de la biréfringence des ondes S permet d’expliquer les données du nord du massif par un milieu à symétrie hexagonale dont le plan de symétrie (la fabrique) est incliné vers le SW. Dans le sud du massif, un plan de symétrie vertical satisfait les observations. Ces résultats montrent que l’objet géologique majeur de cette région est le Cisaillement sud-armoricain dont on peut suivre la trace depuis la croûte jusqu’à la base du modèle à 200 km. Au contraire, le Cisaillement nord-armoricain semble affecter au plus le manteau sommital où se propagent les ondes Pn. Les contrastes de vitesse sont assez élevés : plus de 5 % sur des distances de l’ordre de 30 km. Ces perturbations de vitesse sont associées au dernier événement tectonique majeur, la collision hercynienne qui s’est terminée il y a plus de 250 Ma. Dans ce cas, ces variations de vitesse sismique ne peuvent être expliquées exclusivement par des anomalies thermiques. Il est nécessaire de considérer une contribution minéralogique forte. Les images tomographiques et les mesures d’anisotropie sont interprétées comme la conséquence d’un assemblage de deux lithosphères dont les origines sont différentes. Dans le nord de la Bretagne, les perturbations mineures de la vitesse des ondes P, les délais faibles et la structure inclinée de la fabrique lithosphérique caractérisent une lithosphère affectée par des événements pré-hercyniens, probablement liés à l’orogène Cadomien (650-540 Ma).Dans le centre et le sud de la Bretagne, l’image tomographique est interprétée comme la signature de la subduction à vergence nord qui a eu lieu avant la collision continentale. Les vitesses sismiques élevées représentent alors probablement un bloc de lithosphère subductée. Enfin, l’anisotropie mesurée dans le sud du Massif armoricain est attribuée au régime transpressif intense du Carbonifère au niveau de la zone du Cisaillement sud-armoricain