Bilan des sources de chaleur profondes

On distingue pour le r´egime thermique crustal deux types de sources de chaleur pro-fondes, les sources statiques et les sources dynamiques. Les premi`eres comprennent le flux mantellique et la production radiog´enique, les secondes sont li´ees `a l’histoire tectonique des plaques, et d´ependent de la vitesse des processus.

Le flux mantellique reste mal contraint ; les contributions relatives du flux mantellique et de la production radiog´enique crustale ´etant difficile `a dissocier. Cependant, l’ensemble des observations par les mod`eles g´eochimiques de Terre, par les coupes d’´echelle crustales, par l’analyse statistique des donn´ees convergent vers une valeur de l’ordre de 15 mW m˜™

pour le flux mantellique en domaine continental et une production radiog´enique moyenne crustale entre 0,6 et 1 š W m˜› . Il a longtemps ´et´e admis que la radioactivit´e d´ecroissait exponentiellement avec la profondeur. Cependant, l’incertitude sur cette estimation ´etablie `a partir des donn´ees de production radiog´enique en surface, l’incompatibilit´e avec un faible flux de chaleur mantellique am`enent `a reconsid´erer ce mod`ele en faveur d’une distribution moins diff´erenci´ee. En domaine continental stable, la production radiog´enique est donc un param`etre d´eterminant, tr`es sup´erieur au flux mantellique.

La dissipation visqueuse de chaleur associ´ee `a la d´eformation interne est dans la plu-part des cas n´egligeable. Seule une d´eformation tr`es rapide (prisme d’avant-pays ta¨ıwanais par exemple) produit une quantit´e importante de chaleur. En revanche, la friction aux li-mites de plaques peut ˆetre significativement exothermique, au contact entre deux plaques en convergence, mais aussi `a la base de la lithosph`ere. En moyenne, l’asth´enosph`ere exerce n´ec´essairement une force r´esistante `a la base de la lithosph`ere. Ainsi, le cisaillement pro-duit lors du d´eplacement des plaques sur l’asth´enosph`ere contribue `a augmenter le flux r´eduit d’une valeur variable entre 3 et 16 mW m˜™ . Sous les chaˆınes de montagnes, le pro-cessus est accentu´e, et le flux r´eduit peut ˆetre accru de plusieurs dizaines de mW m˜™ . Sur

le panneau plongeant.

L’advection de chaleur par ´erosion `a grande ´echelle, sur des temps caract´eristiques qui sont ceux de l’orog´en`ese affecte le r´egime thermique et peut augmenter la temp´erature de plus de 100œ C `a de grandes profondeurs si elle est suffisamment rapide. La densit´e de flux de chaleur en surface augmente alors de plusieurs dizaines de mW mž .

L’advection de chaleur par le magmatisme est un contrˆole local pr´epond´erant. Si le magma est `a faible profondeur, la densit´e de flux de chaleur en surface sera fortement af-fect´e localement. L’incidence d’une anomalie thermique sur le r´egime thermique en surface d´epend de sa profondeur et de sa longueur d’onde. En profondeur, un pluton isol´e n’aura pas d’impact. S’il s’agit d’un r´eservoir magmatique `a grande ´echelle, le r´egime thermique sera tr`es affect´e. Mais la quantification du ph´enom`ene n´ecessite de connaˆıtre le flux mag-matique, puisque le processus est discontinu.

L’ablation convective de la lithosph`ere ne constitue pas un ph´enom`ene thermique pr´epond´erant pour les hautes montagnes. Evoqu´ee pour expliquer la surrection rapide du Tibet et de l’Altiplano, elle correspond sur le plan thermique `a une advection de mat´eriel asth´enosph´erique chaud vers la base la croˆute, qui se traduit par une augmentation momen-tan´ee du flux r´eduit.

En bilan, on retiendra le flux mantellique, la production radiog´enique, le cisaillement aux limites de plaque, l’´erosion et le magmatisme comme sources profondes. Ces sources de chaleur contrˆolent le r´egime thermique `a grande longueur d’onde et en profondeur. Mais ils ne caract´erisent pas n´ecessairement le r´egime thermique superficiel, soumis `a des processus de plus courtes longueurs d’onde, qui n’ont d’incidence que locale. La conver-sion des donn´ees thermiques locales en densit´e de flux de chaleur r´egionale n´ecessite de connaˆıtre les perturbations associ´ees `a ces effets de surface.

R´egime thermique des avant-pays.

Application au Subandin Bolivien

Laurent HussonŸ` ¡ ¢ and Isabelle MorettiŸ

Tectonophysics, sous presse

Ÿ Institut Franc¸ais du P´etrole, RB 10, 1-4 Avenue de Bois-Pr´eau, 92852 Rueil-Malmaison, France

¡ Ecole Normale Sup´erieure de Lyon, 46 all´ee d’Italie, 69364 Lyon c´edex 07, France * corresponding author :laurent.husson@ens-lyon.fr ; fax : 33 4 72 72 86 77

TECTONOPHYSICS – Special issue ISAG

Abstract

A quantitative analysis of the various parameters influencing the thermal regime in oro-genic belts and related foredeeps shows that (i) the increasing heat flow in internal zones is mainly due to the thickening of radiogenic layers, although there is no simple proportio-nality between crustal thickness and heat flow signal at large scale ; (ii) in external zones, where the horizontal strain rate is large (such as in the Bolivian Andes), surface processes can be of first order within the first kilometers of the crust. Hence, they induce a large scat-ter in the thermal data which are acquired at shallow depths. The deep thermal regime can be restored only by a quantitative assessment of these parameters. Active erosion (respecti-vely sedimentation) can increase (resp. reduce) the heat flow by a factor 2 in the uppermost kilometers. The effects of fluid circulation percolating at depth can also generate signifi-cant local disturbances. Other processes such as heat advection during thrusting, surface morphology and climate change have a minor influence in most settings, compared to the aforesaid effects.

In the Bolivian Sub Andean Zone, between 18£ S and 22£ S, the very active deforma-tion enhances the surface thermal perturbadeforma-tions (particularly erosion and sedimentadeforma-tion) and disturb the thermal field. The analysis of these data accounting for the kinematics of the belt allows the lateral variations of the thermal regime at various scales to be assessed. A slight eastward increase in the thermal regime towards the Chaco plain is evidenced as well as towards the Boomerang area, as the Mesozoic and Cenozoic sedimentary cover gets thinner.

Keywords :Thermal regime, Bolivian Andes, erosion, sedimentation, fluid flow,

At large scale, the thermal field in the crust is mainly influenced by the geodynamic setting, the mantle heat flow (called “reduced heat flow”), the crustal thickness and its radiogenic content. In extensional zones, such as rift systems, the heat flow data (HFD) usually have typical patterns that correlate well to the crustal and lithospheric thinning (Turcotte and Schubert, 1982). On the contrary in collision settings, the thermal profiles are highly variable (Figs. 1 and 2). Depending on the geological history of the orogen, a geomorphological unit can show strong HFD differences with regards to the HFD of a similar unit in another mountain belt. A striking example is the contrast between the Swiss molassic zone of the Alps and the Apenninic foredeep, where differences in their average HFD achieve more than 70 mW/m¤ (Fig. 2.1.1) and, in mountain belts, lateral variations of the HFD over a few tenths of kilometers commonly reach 40 mW/m¤ (Pollack et al., 1993).

FIG. 2.1.1 – Thermal profiles through various mountain belts (data source : Pollack et al., 1993).

As heat diffuses in space, short wavelength HFD anomalies have shallow origin. Hence, a significant part of the thermal anomalies is due to the transient effects of superficial phe-nomena which become in some places higher than the deep phephe-nomena (mainly crustal heat generation and mantle heat flow). The effects of fast sedimentation or erosion (e.g.

therefore dependent on the geological history of the area ; in addition they can interact, being then either enhanced or reduced. In the present paper, we investigate the various sur-face processes affecting the thermal field in mountain belts and quantify their influences in time, space and magnitudes. This numerical approach lead to quantitative conclusions often in contradiction with the qualitative hypotheses proposed previously to explain local anomalies. Since thermal data come from the upper kilometers of the crust, well tempe-ratures, measurements in lake sediments, mines and caves, they are influenced by surface processes. One of the key issue of these calculations is to precise the depth below which a potential disturbance can be neglected.

In a second part we analyze the thermal regime of the Bolivian Sub Andean Zone in the light of our theoretical models. Since the data are affected by the aforesaid processes, we accounted for the tectonic history of the fold and thrust belt in order to avoid misleading from the large scatter in the data and to determine the deeper thermal signal.

2.2 Surface thermal controls in external zones of orogenic