Issue |
BSGF - Earth Sci. Bull.
Volume 195, 2024
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Article Number | 21 | |
Number of page(s) | 15 | |
DOI | https://doi.org/10.1051/bsgf/2024017 | |
Published online | 15 October 2024 |
Formation of the Naxos nested domes and crustal differentiation by convection and diapirism
1
Institut de Mécanique des Fluides de Toulouse (IMFT), Université de Toulouse, CNRS, Toulouse INP, UPS, Toulouse, France
2
Géosciences Environnement Toulouse (GET), Université de Toulouse, CNRS, UPS, IRD, CNES, Toulouse, France
*e-mail: olivier.vanderhaeghe@get.omp.eu
Received:
19
April
2023
Accepted:
12
August
2024
The Naxos dome, in the middle of the Aegean domain, exposes the former root of the Alpine orogenic belt and represents a key natural example to investigate the development of gravitational instabilities during orogenic evolution and their impact on crustal differentiation. The Naxos dome is cored by migmatites with structures depicting second order domes with a diameter of 1–2 km nested in the first order deca-kilometer scale dome that formed at the onset of orogenic collapse. Zircon grains from the migmatites record a succession of crystallization-dissolution cycles with a period of 1–2 Myr. These features have been attributed to the development of convective and diapiric gravitational instabilities, related to thermally induced and compositional buoyancy. In this paper, we test the pertinence of this model with a thermal-mechanical numerical experiment performed with a volume of fluid method (VOF) known to preserve material phase interfaces during large deformation of viscous layers. Partial melting of the crust is modeled by strain-rate and temperature dependent viscosity and temperature dependent density. Moreover, horizontal layers with density, viscosity and heat production variations mimic more felsic or more mafic lithologies in a crust of intermediate composition. With basal heating, gravitational instabilities initiate with local segregation of the buoyant versus heavier layers, followed by diapiric upwelling of buoyant pockets of aggregated less dense material. Convection starts after 5 Myr, approximately when half of the crust has a viscosity lower than 1019 Pa s. The size of the convection cells increases as the temperature rises in the crust and reaches ∼25 km in diameter after ca. 20 Myr, which defines the size of first order domes. Some of the heterogeneous material is entrained in the convection cells with a revolution period of 1 to 3 Myr. However, most of the denser material accumulates in the lower crust, while the buoyant material segregates at the top of the convection cells and forms diapirs that correspond to second order domes, of several kilometers in diameter and nested within the first order domes. This model, which reproduces the first order characteristic dimensions of the Naxos nested domes and the periodicity of their zircon geochronological record, demonstrates the efficiency of gravitational instabilities in the formation of migmatite domes and, more generally, in the multi-scale dynamics of crustal differentiation leading to a felsic upper crust, an intermediate middle crust and a mafic lower crust.
Résumé
Formation des dômes emboités de Naxos par convection et diapirisme. Le dôme de Naxos, au milieu du domaine égéen, expose la racine de la ceinture orogénique alpine et représente une cible naturelle de 1er choix pour aborder le développement d’instabilités gravitaires au cours de l’évolution orogénique et leur impact sur la différenciation crustale. Le cœur du dôme de Naxos est constitué de migmatites dont la structure souligne des dômes de second ordre avec un diamètre de l’ordre de 1 à 2 km emboités dans le dôme de 1er ordre de taille déca kilométrique qui se sont formés au début de l’effondrement orogénique. Les grains de zircon des migmatites ont enregistré une succession de cycles de cristallisation-dissolution avec une périodicité de l’ordre de 1 à 2 Ma. Ces caractéristiques sont attribuées au développement d’instabilités gravitaires convectives et diapiriques induites par des différences de densité liées à la température et à la composition. Dans ce papier, nous testons la pertinence de ce modèle avec une expérience numérique thermomécanique conduite avec la méthode « volume of fluid » (VOF) qui assure un suivi des interfaces entre phases matérielles au cours de la déformation de milieux visqueux. La fusion partielle est modélisée par une viscosité dépendante de la vitesse de déformation et de la température et par une densité fonction de la température. La présence de niveaux horizontaux présentant des contrastes de densité, de viscosité et de production de chaleur par rapport au milieu ambiant mimique le comportement d’une croûte de composition intermédiaire comprenant des niveaux felsiques et mafiques. Le réchauffement imposé à la base du modèle induit le développement d’instabilités gravitaires qui débutent par la ségrégation locale des matériaux en fonction de leur densité puis se poursuit par l’accumulation de proches de matériel peu dense et la formation de diapirs. La convection débute après 5 Myr, alors qu’environ la moitié de la croûte modélisée a une viscosité plus faible que 1019 Pa.s. La taille des cellules de convection augmente avec la température et atteint un diamètre de ∼25 km après ca. 20 Myr, ce qui définit la taille des dômes de 1er ordre. Une partie du matériel est entraîné dans la convection, indépendamment de sa densité avec une période de révolution de 1 à 3 Myr. Cependant, la majorité du matériel dense est accumulé à la base de la croûte alors que le matériel moins dense est ségrégé au sommet des cellules de convection et forme des diapirs qui correspondent à des dômes de 2nd ordre avec un diamètre de quelques kilomètres, enveloppés dans les dômes de 1er ordre. Ce modèle, qui reproduit la taille caractéristique des dômes emboîtés de Naxos et la périodicité de l’enregistrement géochronologique des grains de zircon qu’ils contiennent, démontre l’efficacité des instabilités gravitaires pour la formation des dômes migmatitiques et plus généralement de la dynamique multi-échelle de la différenciation crustale conduisant à la formation d’une croûte litée avec une croûte supérieure felsique, une croûte moyenne de composition intermédiaire et une croûte inférieure mafique.
Key words: Geology of Naxos / Aegean domain / Nested domes / Gravitational instabilities / Crustal convection / Diapirism
Mots clés : Géologie de Naxos / Domaine Egéen / Dômes emboités / Instabilités gravitaires / Convection crustale / Diapirisme
© A. Louis-Napoléon et al., Published by EDP Sciences 2024
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