Julie Tugend soutiendra sa thèse, le 28 novembre à 14h.
Titre : Rôle de l'hyper-extension lors de la formation de systèmes de rift et implication pour les processus de réactivation et de formation des orogènes : l'exemple du Golfe de Gascogne et des Pyrénées
Lieu : EOST, 1 rue Blessig, amphithéâtre du 2e étage
Jury :
DIRECTEURS DE THESE :
M. MANATSCHAL Gianreto, Professeur, Université de Strasbourg
M. KUSZNIR Nick, Professeur, Université de Liverpool
RAPPORTEURS :
M. OSMUNDSEN Per Terje, Geological Survey of Norway
M. MUÑOZ Josep Anton, Professeur, Université de Barcelone
EXAMINATEURS :
M. LAGABRIELLE Yves, Directeur de Recherche, Université de Montpellier
M. WERNER Philippe, TOTAL, Paris
Résumé :
La the?orie de la tectonique des plaques soule?ve de nombreuses interrogations sur les me?canismes d'extension de la lithosphe?re responsables de la rupture continentale, de la cre?ation d'un domaine oce?anique et d'une nouvelle limite de plaque.
Depuis les anne?es 1960-1970 et les premiers mode?les conceptuels pour expliquer les processus d'extension lithosphe?rique, des e?tudes mene?es dans les marges passives peu magmatiques actuelles et fossiles, pre?serve?es dans les chai?nes de montagne, ont re?ve?le? des ge?ome?tries de plus en plus complexes. Les premiers travaux se sont focalise?s dans les marges proximales et leurs analogues intracontinentaux, re?ve?lant des ge?ome?tries de blocs bascule?s de?limite?s par des failles normales a? faible rejet et associe?s a? un amincissement lithosphe?rique et crustal limite?. Au contraire, les re?sultats des e?tudes sur les Transitions-Oce?an-Continent (TOC) ont mis en avant le ro?le de failles de de?tachement lorsque la crou?te, de?ja? amincie, avoisine les 10 km d'e?paisseur et pour l'exhumation de manteau lors de la phase finale du rifting. L'amincissement crustal majeur qui marque le passage d'une crou?te de ~30 km a? ±10km entre domaines proximaux et distaux s'observe le long des "domaines de necking". L'acquisition de nouvelles donne?es de sismiques re?flexion et re?fraction dans les marges passives peu volcaniques (Ibe?rique, Norve?gienne et Sud Atlantique) a permis dans un premier temps d'imager cette transition. Ces observations ont ensuite e?te? inte?gre?es dans des mode?les conceptuels et nume?riques avant que des domaines de necking ne soient identifie?s en tant que reliques fossiles pre?serve?es dans les chaines de montagne (ex : Alpes et Pyre?ne?es).
De plus en plus d'e?tudes mettent en e?vidence des domaines d'amincissement extre?me de la lithosphe?re a? la fois dans les marges actuelles et leurs analogues fossiles. Cependant, l'e?volution de ces me?canismes dans le temps et dans l'espace reste mal contrainte. Le but de ma the?se est double : d'une part de caracte?riser l'architecture 3D de syste?mes de rift "hyper-amincis" pour e?valuer l'e?volution spatiale et temporelle des me?canismes associe?s l'amincissement extre?me de la crou?te. D'autre part, puisque ces domaines sont observe?s en mer mais e?galement re?active?s et pre?serve?s dans des chai?nes de montagne, un second objectif est de mieux comprendre en quelle mesure l'architecture issue du rift peut consister un he?ritage et contro?ler la formation des oroge?nes de collision.
Ce travail de the?se utilise le Golfe de Gascogne et les Pyre?ne?es (a? la frontie?re entre la France et l'Espagne) comme laboratoire naturel. Cette re?gion correspond a? un ancien domaine de rift initie? au Trias et qui aboutit au Cre?tace? infe?rieur a? la formation de domaines hyper-amincis (ex : bassin de Parentis). Le stade ultime du processus de rupture de la lithosphe?re continentale est marque? par la cre?ation d'un domaine oce?anique dans le Golfe de Gascogne. Au cours de la convergence initie?e au Cre?tace? supe?rieur, certains de ces domaines sont progressivement re?active?s et expose?s dans les Pyre?ne?es (Bassins d'Arzacq-Maule?on, Basque-Cantabre, Aulus...). La de?formation croissante d'Ouest en Est donne l'acce?s a? diffe?rentes e?tapes de re?activation.
Une nouvelle approche pour coupler les observations terre-mer
La premie?re partie de ma the?se est consacre? a? la pre?sentation d'une nouvelle approche terre-mer couplant des donne?es de ge?ophysique marine et de ge?ologie de terrain provenant d'analogues fossiles pre?serve?s dans les chai?nes de montagne. La majorite? des travaux caracte?risant la structure des marges passives continentales se focalise ge?ne?ralement sur l'un ou l'autre type de donne?es. Les exemples a? terre et en mer fournissent des informations comple?mentaires qui sont souvent difficiles a? relier entre elles du? aux diffe?rences de re?solution et d'e?chelle d'observation et provenant de re?gions qui ont connu des e?volutions ge?odynamiques diffe?rentes.
La richesse des donne?es du Golfe de Gascogne (sismiques, forages) et la pre?sence de reliques fossiles du me?me syste?me dans les Pyre?ne?es permet de coupler des observations faites a? terre et en mer pour de?finir des domaines structuraux comparables dans les marges passives actuelles et leurs analogues fossiles. L'asschai?neociation d'interpre?tation de donne?es de sismique re?flexion avec des techniques d'inversion gravime?trique et de backstripping flexural sur les exemples en mer (marges des Entre?es de la Manche et bassin de Parentis) permet d'estimer l'espace d'accommodation, l'amincissement crustal et lithosphe?rique ainsi que d'identifier deux types de domaines extensifs (selon leur implication pour les processus d'amincissement). Les donne?es de terrain (bassin de Maule?on) et de forages (bassin de Parentis) focalise?es sur des affleurements clefs permettent de de?crire la nature des se?diments et du socle ainsi que les structures qui forment les restes fossiles des domaines de marge. Cette analyse qualitative et quantitative d'observations a? terre et en mer fournit des e?le?ments de diagnostic essentiels pour identifier 5 domaines distincts dans les marges passives actuelles et fossiles : les domaines proximaux, de necking, hyper-amincis, de manteau exhume? et oce?aniques.
Le de?veloppement de cette approche terre-mer a e?te? un pre?requis ne?cessaire pour cartographier les domaines pale?oge?ographiques issus du syste?me de rift lie? a? l'ouverture du Golfe de Gascogne et partiellement inte?gre? a? l'oroge?ne Pyre?ne?enne.
Evolution spatiale et temporelle des syste?mes de rift hyperamincis
Dans un second temps, de?chiffrer la de?formation compressive repre?sente une e?tape essentielle pour acce?der a? une reconstruction palinspatique cohe?rente du syste?me. Les re?sultats issus de cette the?se sugge?rent que la re?activation he?te?roge?ne observe?e est directement lie?e a? une architecture pre?- compressive complexe.
La restauration du domaine met en avant deux syste?mes extensifs distincts pre?serve?s a? des e?tapes d'e?volution diffe?rentes. Ils sont se?pare?s par le bloc des Landes repre?sentant un "ruban" de crou?te continentale pas ou peu aminci. Le Golfe de Gascogne enregistre diffe?rentes phases d'amincissement spatialement depuis sa terminaison Est dans bassin hyper-aminci de Parentis jusqu'au stade ultime de l'oce?anisation a? l'Ouest a? la jonction avec l'oce?an Atlantique. Un second syste?me correspond a? un domaine hyper-aminci avec exhumation locale de manteau (a? pre?sent les bassins d'Arzacq-Maule?on, Basque-Cantabre...) sans former de domaine oce?anique. Les deux syste?mes sont fortement segmente?s lors des processus d'hyper-extension. La segmentation est contro?le?e par la structuration he?rite?e des e?pisodes varisque a? permo-triassique qui pre?ce?dent l'hyper- extension. La re?activation de certaines de ces structures d'e?chelle crustale et lithosphe?rique de?limite des variations d'architecture de la marge dont les changements majeurs sont attribue?s a? des changements de vergence de syste?me d'exhumation lors de la phase finale du rifting. L'e?volution des processus d'hyper-extension et d'amincissement est le?ge?rement diachrone entre les deux syste?mes. L'a?ge estime? de la premie?re crou?te oce?anique et l'e?tude du bassin de Parentis indiquent que l'amincissement lithosphe?rique et crustal se fait entre la fin du Jurassique et l'Apto-Albien. Au contraire, le processus d'amincissement extre?me du syste?me pre?serve? dans les Pyre?ne?es se poursuit jusqu'a? la fin de Albien et le de?but du Ce?nomanien comme atteste? par le remaniement de morceaux de manteau dans des bre?ches Albiennes a? Ce?nomanienne (bassins de Maule?on et d'Aulus).
La restauration du syste?me a? la fin de l'hyper-extension, l'avant initiation de la convergence met en avant la segmentation du syste?me (NE-SO dans le syste?me Pyre?ne?en). Cette observation laisse peu de place pour l'activation d'un large e?pisode transformant syn a? post hyper-extension (albien ou ce?nomanien), le long de la faille Nord Pyre?ne?enne, comme propose?e dans la majorite? des mode?les d'e?volution du syste?me.
Rôle de l'amincissement extre?me pour la formation des oroge?nes de collision
L'architecture complexe he?rite?e de l'hyper-extension va aboutir a? une compe?tition entre les deux syste?mes lors de la convergence et cre?er une re?activation he?te?roge?ne qui permet d'acce?der a? diffe?rentes e?tapes de la de?formation compressive. A l'ouest, on peut observer ou? s'initie la de?formation, tandis qu'a? l'est (dans les bassins Basques-Cantabres et Arzacq-Maule?on), il est possible de voir comment les structures de rift sont re?active?es.
La compilation d'observations a? terre et en mer travers l'ensemble du syste?me permet de proposer un mode?le pour expliquer la re?activation progressive. La serpentinisation du manteau va constituer une zone de faiblesse majeure qui peut permettre d'initier la re?activation. L'ancienne faille de de?tachement au toit du manteau exhume? et serpentinise? peut e?tre utilise?e comme surface de de?collement. La propagation de la de?formation au domaine de crou?te hyper-amincie va initier la formation d'un prisme d'accre?tion. Dans les anciens bassins hyper-amincis (ex : Arzacq-Maule?on), l'arrive?e de la marge conjugue?e va permettre dans un stade ulte?rieur une proto-subduction de l'ancien domaine de crou?te hyper-amincie. L'architecture finale de la chai?ne s'acquiert lors la collision des anciens domaines conjugue?s de necking et proximaux qui repre?sentent deux "buttoirs". Les nouvelles interpre?tations propose?es dans ce travail proposent que les domaines "subducte?s" image?s par la ge?ophysique correspondent en partie aux anciens domaines de manteau exhume?s et de crou?te hyper- amincie.
Cette partie focalise?e sur la re?activation du syste?me montre que l'essentiel de la de?formation compressive est accommode?e par les domaines de manteau exhume? et de crou?te hyper-amincie et les structures de rift associe?es. Les anciennes limites de domaines constituent les zones majeures de re?activation. Les re?sultats de ce travail montrent qu'il est ne?cessaire de prendre en compte l'architecture 3D des anciens domaines rift hyper-amincis dans les mode?les de formation des oroge?nes de collision comme les Pyre?ne?es.
Conse?quences pour la nature et l'e?volution de la limite de plaque entre Ibe?rie et Europe
Dans une dernie?re partie, je me suis inte?resse?e au contexte de formation de la limite de plaque entre Ibe?rie et Europe et au lien possible avec l'architecture 3D complexe des syste?mes de rift hyper- amincis. Les reconstructions pale?oge?ographiques re?gionales imposent un mouvement senestre de l'Ibe?rie dont le timing et les implications pour la limite entre Europe et Ibe?rie sont le sujet de nombreuses controverses. La synthe?se de pre?ce?dentes et nouvelles observations a? l'e?chelle de la limite de plaque Ibe?rie-Europe m'a permis de proposer un mode?le de formation et d'e?volution focalise? sur la re?partition de la de?formation entre les diffe?rents syste?mes de rift observe?s.
Les re?sultats majeurs mettent en avant l'e?volution polyphase?e de la limite de plaque entre Ibe?rie et Europe et soule?vent des questions quant a? sa nature diffuse lors du mouvement de l'Ibe?rie. En effet, je propose qu'au lieu d'une de?formation localise?e le long d'un syste?me de faille, celle-ci soit partitionne?e entre deux syste?mes de rift obliques distincts (futur Golfe de Gascogne et bassins Intra- Ibe?riques) d'orientation NW-SE. Entre ces deux rifts, se?pare?s par les blocs des Landes et d'Ebro, la de?formation est diffuse entre plusieurs bassins individualise?s d'orientation E-W (ex: Arzacq, Mirande). La formation d'un domaine oce?anique a? l'Apto-Albien suivant les processus d'hyper- extension localisent la de?formation extensive dans le Golfe de Gascogne, suite a? la rotation antihoraire de l'Ibe?rie. L'extension progressive du domaine oce?anique est accompagne?e d'une extension NNE- SSW a? NE-SW dans les bassins du syste?me Pyre?ne?en, marque?e par la segmentation du syste?me.
L'architecture grande e?chelle de la limite entre Ibe?rie et Europe est complexe. A terre, une zone de transition s'observe caracte?rise?e par diffe?rents syste?mes rift se?pare?s par des "rubans" de crou?te continentale non amincis (blocs des Landes et d'Ebro). L'initiation du processus d'accre?tion oce?anique dans le Golfe de Gascogne se traduit par une de?formation extensive diffuse dans le syste?me de rift Pyre?ne?en-Basque-Cantabre. Cette distribution de la de?formation est interpre?te?e comme une tentative avorte?e de propagation et de localisation d'une nouvelle limite de plaque.
Ainsi l'e?volution polyphase?e de cette re?gion illustre d'une part l'importance des mouvements pre?-rupture continentale pour les reconstructions cine?matiques. D'autre part, l'e?pisode de rifting oblique du Golfe de Gascogne peut en partie repre?senter un analogue pour comprendre les processus de formation des marges segmente?es ou transformantes.
En conclusion, les re?sultats de cette the?se mettent en avant le ro?le central de l'he?ritage crustal et lithosphe?rique pre?-rift pour la formation des syste?mes hyper-amincis mais e?galement le ro?le de l'architecture de ces syste?mes pour la formation des oroge?nes de collision. De plus, la me?thodologie de?veloppe?e dans cette the?se peut s'appliquer dans d'autres syste?mes pour l'identification, la description et l'interpre?tation de marges passives actuelles et leurs reliques fossiles pre?serve?es dans les chai?nes de montagnes.