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Subject Item

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Numerical modelling of large-scale transcurrent faulting and compression effects, example from west Africa and New Zealand

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Localisation de la déformation Failles décrochantes Craton ouest-africain Exhumation Modélisation numérique Décrochements (géologie) Failles (géologie) -- Nouvelle-Zélande Failles (géologie) -- Afrique occidentale Thèses et écrits académiques Zones de failles alpines

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Modélisation numérique des failles décrochantes et des effets de compression à grande échelle, cas d'étude en Afrique de l'Ouest et Nouvelle Zélande

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Modélisation numérique des failles décrochantes et des effets de compression à grande échelle, cas d'étude en Afrique de l'Ouest et Nouvelle Zélande

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L'objectif de cette thèse est d'étudier le rôle joué par les zones de cisaillement sur la localisation de la déformation et de l'exhumation de la croûte inférieure grâce à une série de modèles numériques thermomécaniques 2D et 3D que nous avons appliqué à deux cas d'étude: le craton ouest-africain (WAC) et les zones de failles alpines en Nouvelle Zélande. En ce qui concerne la localisation de la déformation dans la croûte supérieure, différentes orientations pour un système de décrochement en ramification ont été testées. Sous un régime compressif, les résultats montrent que les zones de failles internes, ainsi que les unités de roches présentes entre ces failles réagissent de façon plus fragile que les unités rocheuses présentes à l'extérieur de ces domaines. Pour le cas d'un régime de déformation en cisaillement simple, nous avons exploré le processus de réorganisation qui s'est produit aux limites de deux plaques (i.e. Australie et Pacifique) au sud de la Nouvelle-Zélande. Les modèles montrent que la déformation se concentre le long des zones de cisaillement étroites, situées au centre du modèle, lorsque les coefficients d'amollissement sont élevés. Inversement, la contrainte cisaillante ressort de façon plus diffuse à travers le modèle lorsque les coefficients d'amollissement sont faibles. Les cisaillements s'expriment alors sur l'ensemble du modèle bien que les taux de cisaillement restent les plus élevés sur les bordures du modèle. Afin de tester l'impact de failles héritées et de bassins préexistants sur l'exhumation de la croûte inférieure, des modèles 2D et 3D ont été testés avec différentes conditions aux limites (traduisant extension, transtension et compression). * En contexte extensif, dans les portions Est et Ouest des corridors fortement métamorphisés du Nord-Ouest Ghana, des roches partiellement fondues, issues de la croûte inférieure, ont pu être exhumées au sein des croûtes moyenne à supérieure. Dans la partie centrale du domaine de Bolé-Bulenga, des roches très métamorphisées ont été exhumées grâce au couplage de deux mécanismes: (1) la concentration de roches partiellement fondues entre les failles de Jirapa et de Bolé-Nangodi; ces failles convergent vers le sud, induisant un rétrécissement de l'espace disponible pour accueillir ce matériel fondu; (2) la concentration de roches partiellement fondues dans la partie centrale, induite par un jeu de failles héritées d'orientation Est-Ouest. * En contexte de transtension, dans le terrane de Sefwi au Sud-Ouest Ghana, le domaine de Kukuom-Juaboso (KJD), composé majoritairement par des roches à faciès de type amphibolite à migmatitique, semble s'être mis en place sous forme d'intrusions au sein d'une zone relais située entre les zones de cisaillements de Kenyase et de Ketésso. Ces deux zones de cisaillement sont marquées par un stade de croissance puis de maturation qui semblent être reliés aux phases de déformation D1 puis D2 reconnues régionalement. L'exhumation régionale des roches très métamorphisées dans le terrane de Sefwi s'est probablement produite en moins de 5 Ma. * En régime compressif, l'impact joué par les bassins volcano-sédimentaires sur le processus d'exhumation de la croûte inférieure a été testé numériquement. Les modèles suggèrent que de multiples injections de magmas granitoïdiques, dérivant soit de matériaux subductés, soit d'une fusion de produits crustaux ou de matériel mantellique accumulés en profondeur, ont pu être canalisées au sein de diapirs avant de venir nourrir la croûte supérieure. Ce modèle suggère également une asymétrie des structures entre la croûte supérieure d'une part, et la croûte inférieure à moyenne d'autre part: i.e. (i) les bassins de roches vertes faiblement métamorphisés de la croûte supérieure reposent sur les diapirs métamorphisés et (ii) les bassins de roches vertes très métamorphisés constituent le soubassement des dômes granitoïdiques de la croûte supérieure. The objective of this thesis is to explore the role shear zones play in localization of deformation and exhumation of the lower crust by using a series of 2D and 3D thermo-mechanical numerical models using the West African Craton (WAC) and the Alpine Fault zones as study areas. With respect to the localization of deformation in the upper crust, different orientations of a system of branched strike-slip faults were studied. Under compression boundary conditions, the results show that the internal fault zones as well as the host rocks in between the faults behave as relatively weaker domains than the external regions. Under simple shear boundary conditions, we explored the process of self-organization of the Australian-Pacific plate boundary fault in southern New Zealand. The models show that deformation is focused along narrow high-strain shear zones in the centre of the model when the softening coefficients are high, whereas the strain is more diffuse with many shear zones spread over the model and possibly some high-strain shear zones focused near one border at lower softening coefficients. Regarding the role pre-existing faults and basins play in exhumation of the partially molten lower crust, 2D and 3D models with different boundary conditions were tested (including extension, transtension and compression). * Under extension, in the Eastern and Western parts of the high grade rock corridors in NW Ghana, partially molten rocks exhumed from the lower into middle-upper crustal levels are interpreted to have been dominantly facilitated by the km-scale high-strain corridors. In the central part of the Bole-Bulenga domain, the high grade rocks are interpreted to have been exhumed as a result of a coupling between two mechanisms: (1) the concentration of partially molten rocks between the Jirapa and Bole-Nangodi faults increases due to the reduction in space from north to south; (2) the concentration of lower partially molten rocks in the central part, as a result of inherited orthogonal (E-W) faults. * Under transtension, in the Sefwi terrane of SW Ghana, the Kukuom-Juaboso domain (KJD) composed of up to amphibolite-migmatite facies could result from the concentration of upwelling partially molten rocks in the relay zone between the Ketesso and Kenyase shear zones during transtension. The two shear zones probably underwent two main stages for growth and maturation from the D1 to D2 deformation phases. The regional exhumation of the high grade rocks in the Sefwi terrane probably occurred within a duration of less than 5 Ma. * Under compression, the role of volcano-sedimentary basin on spatial-temporal evolution of the lower crust exhumation was tested. The models suggest that a series of sheet-like granitoids possibly derived from either subducted mélanges, lower crust and/or mantle melting accumulated at depths of the subcontinental mantle would channel along diapirs before feeding the upper crust. When the granitoids arrive at the solidified lids of the diapirs, they would favour migrating horizontally and intruding into the upper crust through weakening zones between the diapirs. This model also suggests an asymmetry of structures between the upper and middle-lower crust, with the dome-like granitoids overlying high-grade sedimentary synforms and high-grade diapirs underlying low-grade greenstone belts.

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Text

n7:P1001

n8:T1009

rdaw:P10219

2016

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