Faculté des sciences

Deformation mechanisms and fluid flow along the Glarus overtrust, eastern Helvetic Alps, Switzerland : Mécanismes de déformation et circulation de fluides le long du chevauchement de Glaris, Alpes helvétiques orientales, Suisse

Badertscher, Nicolas ; Burckhard, Martin (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2001 ; 1590.

L'étude des mécanismes de déformation et des circulations de fluides associés à l'activité d'une faille alpine majeure a été entreprise le long du fameux chevauchement de Glaris dans les alpes helvétiques de Suisse orientale. Les recherches sur les mécanismes de déformation ont été concentrées dans la Lochsitenkalk (LK) par l'étude des microstructures et des microtextures. Les... Plus

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    Résumé
    L'étude des mécanismes de déformation et des circulations de fluides associés à l'activité d'une faille alpine majeure a été entreprise le long du fameux chevauchement de Glaris dans les alpes helvétiques de Suisse orientale. Les recherches sur les mécanismes de déformation ont été concentrées dans la Lochsitenkalk (LK) par l'étude des microstructures et des microtextures. Les interactions entre roches et fluides ont été étudiées à l'aide des patrons isotopiques de l'oxygène, du carbone et du strontium définis dans la LK le long du chevauchement de Glaris et sur environ 10 profils verticaux à travers le chevauchement. Le but du présent travail est de proposer une alternative au paradoxe mécanique du chevauchement de Glaris et de définir les patrons et paramètres des circulations de fluides. Les observations par microscopie optique, cathodoluminescence (CL) et microscopie électronique à balayage (SEM) sur des échantillons de LK ont révélé une alternance de mécanismes de déformation ductile et cassant ainsi que l'activité de processus de dissolution-recristallisation. Une intense recristallisation dynamique est associée aux mécanismes de déformation ductile intracristallins. Ces faits sont incompatibles avec l'idée d'un mécanisme de déformation superplastique dominant dans la LK. Je propose que les 35 km de chevauchement vers le Nord aient été accommodés par une combinaison de mécanismes de déformation plastique dans la LK et le toit du chevauchement et de déformation fragile, particulièrement concentrée dans la LK. La texture de gouge foliée typique de la LK résulte d'une fracturation sismique provoquée par une pression de fluides élevée. Les zonations isotopiques de l'oxygène, du carbone et du strontium révèlent deux régions à régimes de circulations de fluides différents. Au sud de la limite carbonate-flysch dans le mur, des fluides avec un d18O de 6‰ (SMOW), un d13C de -5‰ (PDB), et un XCO2 << 0.1 ont été canalisés le long du chevauchement dans un carbonate en partie préexistant. Un flux intégré sur le temps (TIFF) de 4500-9100 m3/m2 a été déterminé pour cette composante de flux, ce qui est bien supérieur au TIFF de 3.45 à 5.7 m3/m2 qui a été calculé pour le flux de fluides vers le bas à travers le chevauchement documenté sur les profils verticaux. Ce flux vertical correspond à une perte latérale des fluides canalisés au niveau du chevauchement. Dans la partie Nord du chevauchement, des fluides dérivés de la déshydratation du flysch et saturés en calcite se sont échappés vers le haut et ont précipité des veines de calcite au niveau du contact avant d'infiltrer le Verrucano. Ces fluides sont caractérisés par un d18O de 15‰ (SMOW) et un XCO2 = 0.3-0.4. Une modélisation numérique 3D par éléments finis qui simule la circulation de fluides, le des isotopes de l'oxygène et les réactions en milieux poreux avec différentes propriétés hydrologiques a été menée afin de reproduire la zonation isotopique régionale de la LK le long du plan du chevauchement. Pour qu'un front isotopique se développe dans la partie sud du chevauchement, le contraste de perméabilité entre la LK et les roches en contact direct doit être de 100:1 au minimum et une forte charge hydraulique doit exister au point d'infiltration à l'extrême sud afin que les fluides restent canalisés dans la LK. Dans la portion Nord, la composante de flux vers le haut ne peut exister que si les fluides sont pompés par un drain au sommet de la portion crustale modélisée dans le Verrucano. Dans le prisme d'accrétion alpin, le socle cristallin du Massif de l'Aar se déshydrate et produit ainsi de grandes quantités de fluides qui ont tendance à s'échapper vers le haut le long de zones cisaillement raides. Quand ils atteignent le chevauchement de Glaris, ces fluides sont canalisés le long du plan de chevauchement dans sa partie sud. Dans la portion nord, la séquence de flysch se déshydrate aussi par enfouissement progressif. Lorsque le chevauchement perce la limite fragile-ductile au Nord et dans le toit, les fluides vont être pompés vers le haut à partir du flysch à cause de gradients hydrauliques extrêmes, bien que le Verrucano reste très peu perméable. La pression de fluide augmente au contact jusqu'au seuil de fracturation, de glissement sismique et de cataclase. L'ouverture de fractures provoque la chute de la pression de fluide dans ces dernières induisant la précipitation de calcite qui scelle ces fissures permettant une nouvelle montée de la pression de fluides. Entre les événements de fracturation, la déformation ductile intracristalline prend le relais.
    Summary
    The study of deformation mechanisms and fluid flow associated with the activity of a major alpine fault has been undertaken along the famous Glarus overthrust in the Helvetic Alps of eastern Switzerland. Investigations of deformation mechanism have been concentrated on the Lochsitenkalk (LK) through study of microstructures and microtextures. Fluid-rock interactions have been studied by defining the oxygen, carbon and strontium isotope systematics along the thrust within the LK on more than 50 sampling sites and on 10 vertical profiles across the thrust. The aim of the present work is to solve the mechanical paradox of the Glarus thrust and to define fluid flow pathways and parameters. I propose a new geological history in which deformation mechanisms and fluid flow are intimately linked. SEM, CL and optical microscopy studies on Lochsitenkalk (LK) document the alternate activity of brittle and ductile deformation mechanisms together with dissolution-recrystallization processes. Plastic intracrystalline deformation mechanisms such as dislocation glide and dislocation creep are associated with dynamic recrystallization. These observations are incompatible with the idea of a dominant superplastic deformation mechanism active in the Lochsitenkalk during thrusting. I propose that the 35 km of northwards thrust translation of the Glarus nappe has been accommodated by a combination of ductile intracrystalline deformation mechanisms in the LK and hangingwall and of brittle deformation concentrated in the LK. Foliated gouge texture in the Lochsitenkalk results of seismic failure triggered by high fluid pressure. Oxygen, carbon and strontium isotope systematics document two regions of different flow regimes along the Glarus thrust. South of the carbonate-flysch boundary in the footwall, fluids with an d18O of about 6‰ (SMOW), an d13C of -5‰ (PDB), and a XCO2 << 0.1 were channelized along the thrust in a partly pre-existing carbonate. Northward transport was accomplished by coupled advection and hydrodynamic dispersion processes. A time-integrated fluid flux (TIFF) of 4500-9100 m3/m2 has been calculated. This is much larger than the downward cross-thrust flow component documented on vertical profiles for which a TIFF of 3.45 to 5.7 m3/m2 has been calculated. This vertical flow corresponds to a lateral downward seepage of channelized fluids. In the northern areas, fluids derived from the dewatering flysch and saturated in calcite flowed upwards and precipitated calcite veins at the thrust contact before pervasively infiltrating the Verrucano. These fluids are characterized by an d18O of about 15‰ (SMOW) and a XCO2 = 0.3-0.4. A three-dimensional finite-element model that simulates fluid flow, advective-dispersive oxygen isotope transport and reaction in porous media with different hydrologic properties is applied to reproduces regional oxygen isotope zonation in the LK along the thrust plane. In light of these simulations, critical parameters responsible for fluid flow pathways along the Glarus overthrust are inferred. For an oxygen isotope exchange front to develop in the LK in the southern part of the thrust, the contrast of permeability between the LK and the surrounding rocks must be at least 100:1 and a high hydraulic head has to exist for the fluids to be channelized in the LK. In the north, the upward flow component can only exist if fluids are pumped upwards by a drain at the top of the modelled slab. In the alpine accretionary wedge, the crystalline basement, situated in the root zone of the Glarus thrust, is subject to dehydration that produces large amount of fluids that tend to escape upwards along shear zones. When they reach the Glarus thrust, these fluids are channelized along the thrust contact in the southern portion of the thrust. In the northern part, the flysch sequence is also dehydrating in response to the increasing tectonic load. The advancing thrust pierces the brittle-ductile boundary in the north and in the hangingwall provoking the upwards pumping of fluids from the flysch due to high hydraulic gradients, even if the Verrucano remains much more impermeable than the footwall flysch, thus representing a permeability barrier to the upwards percolation of fluids. In analogy to the fault-valve scenarios, fluid pressure would increase at the thrust contact up to the threshold for hydro fracturing, seismic slip and cataclastic deformation. Due to the opening of fractures, fluid pressure would drop and fracture would heal leading to the formation of veins that progressively seal the fractures, allowing fluid pressure to build up again. Between fracture events, plastic intracrystalline deformation mechanisms occur.