The Hercynian collision in the Armorican Massif: evidence of different lithospheric domains inferred from seismic tomography and anisotropy

EnglishThe Hercynian belt is a continental collision orogen extending from south-west Iberia to the Bohemian Massif in Czech Republic. The successive stages of its formation are dated from 400 to 260 Ma.The Armorican Massif is a preserved segment of this orogen. It presents structures oriented NW-SE, parallel to the general Hercynian trend in this region. The massif is divided into three domains (North, Central, and South-Armorican domains) separated by two main shearzones, the North- and South-Armorican shear zones. As the Armorican Massif escaped from any important tectonic or thermal event since the end of Hercynian times, it is particularly suited for the study of an old collision orogen. Thus, in the framework of the GeoFrance3D-ARMOR2 project, two passive seismological experiments were conducted in 1997 and 1999 in the Armorican Massif. The main goals concerned the characterization of the deep geometry of both shear zones, the understanding of their geodynamic bearing on the long term evolution of the Hercynian belt, the study of the lithospheric deformation, and the 3D imaging of the Champtoceaux nappes.The data allow to model seismic anisotropy and to build a 3D P-wave velocity model beneath the Armorican Massif. Crustal images do not evidence any deep rooting of the Champtoceaux nappes in the lower crust. However, the upper mantle images show a clear signal interpreted as the relic of the northward subduction which lasted until Devonian ({approx}350 Ma). The results also show that the North-Armorican Shear Zone is limited at depth to the crust and topmost mantle, while the South-Armorican Shear Zone can be traced over the whole lithosphere.The strong velocity contrasts are associated to probable relic thermal anomalies but are also significantly related to chemical anomalies. francaisLa chaine hercynienne est un objet majeur en Europe. Elle resulte de la collision de deux blocs continentaux durant le Paleozoique. Le Massif armoricain presente l'interet de n'avoir ete affecte par aucun evenement tectonique ou thermique majeur depuis la fin de la collision ({approx}260 Ma). Nous y avons donc l'opportunite d'etudier la structure profonde d'une ancienne chaine de collision. Les principaux traits geologiques du Massif armoricain sont les zones de cisaillement nord- et sud-armoricaines, orientee respectivement E-W et NW-SE. Elles separent le massif en trois domaines : les domaines nord-, centre- et sud-armoricain. Dans le but d'etudier la structure profonde de cette region, des reseaux sismologiques temporaires ont ete installes en 1997 et 1999 dans le cadre du volet sismologique du projet ARMOR2-GeoFrance3D. Les stations temporaires, completees par les sites permanents forment un reseau bidimensionnel dense de 80 stations couvrant une grande partie du Massif armoricain. Les donnees collectees durant ces experiences sont exploitees sous la forme d'un ensemble de temps d'arrivees d'ondes P et de formes d'ondes S telesismiques. Les methodes utilisees pour l'imagerie du manteau superieur sous le Massif armoricain consistent en la modelisation 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 etudier l'interieur de la Terre. Elle fournit des images structurales des regions etudiees sous la forme de perturbations de vitesse sismique qui representent les effets de perturbations thermiques et/ou mineralogiques des milieux. Les etudes de laboratoire et les modelisations numeriques montrent enfin que l'anisotropie sismique des roches du manteau superieur refletent l'orientation preferentielle des reseaux cristallins des grains d'olivine, representant ellememe la fabrique tectonique de la roche, temoin des deformations passees, anciennes ou recentes. Un modele de vitesse des ondes P a ete calcule, il procure les images des perturbations de vitesse jusqu'a la profondeur de 200 km. Dans la partie superieure, jusqu'a 130 km, les images sont dominees par des vitesses elevees dans les regions de l'ouest du massif et par des vitesses faibles dans les regions du sud et de l'est. Aucune structure superficielle n'est correlee a la frontiere N-S entre les anomalies dans la partie centrale du Massif armoricain. Dans la partie inferieure du modele (130--200 km), on observe un brusque changement de l'organisation de l'image. Les perturbations de vitesse sont organisees selon trois zones allongees d'orientation NW-SE. Le domaine central, caracterise par des vitesses elevees est separe du domaine sud par une limite dont la localisation et l'orientation correspondent a celles de la Zone de cisaillement sud-armoricaine en surface. La limite nord du corps rapide central est localisee 50 a 70 km vers le nord et montre la meme orientation. A toutes les profondeurs, on observe que le sud du Cisaillement sud-armoricain, c'est-a-dire le domaine sud-armoricain, est caracterise par des anomalies negatives. Le Cisaillement nord-armoricain ne montre aucune correlation avec le modele de vitesse. Au contraire, l'anisotropie des ondes Pn est fortement correlee a la direction du Cisaillement sud-armoricain dans le sud du massif et a la direction du Cisaillement nord-armoricain dans le nord du massif. Cette correlation n'est pas observee pour les onde SKS qui montrent une direction rapide NW-SE a travers tout le massif. Cependant, on distingue 2 groupes de mesures : au sud, le delai 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 a des epaisseurs de l'ordre de 120 et 80 km, respectivement. De plus, une modelisation tridimensionnelle de la birefringence des ondes S permet d'expliquer les donnees du nord du massif par un milieu a symetrie hexagonale dont le plan de symetrie (la fabrique) est incline vers le SW. Dans le sud du massif, un plan de symetrie vertical satisfait les observations. Ces resultats montrent que l'objet geologique majeur de cette region est le Cisaillement sud-armoricain dont on peut suivre la trace depuis la croute jusqu'a la base du modele a 200 km. Au contraire, le Cisaillement nord-armoricain semble affecter au plus le manteau sommital ou se propagent les ondes Pn. Les contrastes de vitesse sont assez eleves : plus de 5 % sur des distances de l'ordre de 30 km. Ces perturbations de vitesse sont associees au dernier evenement tectonique majeur, la collision hercynienne qui s'est terminee il y a plus de 250 Ma. Dans ce cas, ces variations de vitesse sismique ne peuvent etre expliquees exclusivement par des anomalies thermiques. Il est necessaire de considerer une contribution mineralogique forte. Les images tomographiques et les mesures d'anisotropie sont interpretees comme la consequence d'un assemblage de deux lithospheres dont les origines sont differentes. Dans le nord de la Bretagne, les perturbations mineures de la vitesse des ondes P, les delais faibles et la structure inclinee de la fabrique lithospherique caracterisent une lithosphere affectee par des evenements pre-hercyniens, probablement lies a l'orogene Cadomien (650--540 Ma). Dans le centre et le sud de la Bretagne, l'image tomographique est interpretee comme la signature de la subduction a vergence nord qui a eu lieu avant la collision continentale. Les vitesses sismiques elevees representent alors probablement un bloc de lithosphere subductee. Enfin, l'anisotropie mesuree dans le sud du Massif armoricain est attribuee au regime transpressif intense du Carbonifere au niveau de la zone du Cisaillement sud-armoricain.