Evolution néogène de l'arc alpin sud-occidental : approches sismotectonique et thermochronologique

par Romain Beucher

Thèse de doctorat en Terre solide

Sous la direction de Pierre Tricart et de Peter Van der Beek.

Soutenue en 2009

à l'Université Joseph Fourier (Grenoble) .


  • Résumé

    Cette thèse cible l'évolution Néogène de la branche sud de l'arc alpin occidental. Une approche multi-méthodes associant études de terrain, sismotectonique et thermochronologie basse température y met en évidence un régime tectonique complexe ainsi qu'une évolution morphologique et structurale originale au sein de l'arc. La fracturation s'organise autour d'un faisceau d'accidents NW-SE, à jeu principalement dextre, accompagnant la courbure de l'arc et commandant structure et morphologie. Par ailleurs, à l'échelle des massifs, une structuration en failles normales conjuguées NE-SW traduit une extension parallèle à la chaîne. D'autres failles normales traduisent une extension perpendiculaire à la chaîne. L'inversion des données microtectoniques a permis de caractériser des régimes de paléocontraintes décrochant et extensif. L'absence d'une chronologie cohérente à l'échelle régionale suggère que ces régimes ont coexisté. Je propose que ces régimes constituent deux extrêmes d'un régime de contrainte unique variable, résultant de l'interférence entre un champ de contraintes extensif, à tendance multidirectionnelle et propre à la partie interne, surépaissie de la chaîne, et un champ de contraintes décrochant à transpressif commandé aux limites de la chaîne. L'analyse sismologique montre que l'arc interne subit actuellement un régime transtensif en zone Briançonnaise et un régime purement extensif en Zone Piémontaise, plus interne. La direction d'extension reste proche d'E-W, comme plus au nord à la latitude du Pelvoux, et indépendante de la courbure de l'arc. La caractérisation du régime extensif actuel en termes de directions tangentes ou radiales à l'arc est donc ici inadaptée. La Zone Externe présente un régime globalement transpressif à nuancer puisqu'elle est également affectée par de l'extension dans sa partie la plus interne. Je propose une corrélation entre la zone subissant l'extension et la zone d'épaisseur crustale maximum. Ce modèle s'inspire et étend celui proposé par [Delacou et al. , 2004]. Il favorise un processus d'extension lié à un effondrement gravitaire de la chaîne. La structure arquée concerne surtout la croûte supérieure, les structures plus profondes étant plus linéaires. Ce découplage vertical des structures est probablement hérité du poinçonnement syncollision oligocène, responsable de la formation de l'arc interne. Il peut expliquer qu'au Néogène le découplage tectonique entre arc interne en extension et zone externe en transpression ne réactive pas, près de la surface, l'ancien front chevauchant de l'arc interne, comme c'est le cas plus au nord au sein de l'arc. Quelques nouvelles données thermochronologiques (traces de fission dans l'apatite), replacées dans une synthèse des données existantes, confirment que les Alpes sud-occidentales ont connu une évolution structurale et morphologique originale au Néogène. Les zones internes présentent un refroidissement final homogène et rapide dès la fin de l'Oligocène. Le saut d'âge entre zone externe et zones internes, récemment mis en évidence à la latitude du Pelvoux, est confirmé dans l'ensemble de la branche sud de l'arc. Il témoigne de l'inversion du front chevauchant des zones internes peu de temps après le paroxysme de la collision. Je relie l'exhumation rapide des zones internes de la branche sud à la forte érosion d'une cordillère alpine axée sur les zones internes au front du poinçon apulien. La quantification de l'évolution du relief à partir du système traces de fission sur Apatite a été testée sur la base de deux transects échantillonnés dans les massifs du Pelvoux et Dora-Maira. Les relations âges-altitudes à différentes longueurs d'onde permettent d'estimer un taux d'exhumation moyen de 0. 4km/Ma pour le Pelvoux au cours des 7 derniers Ma, et de 0. 1Km/Ma pour Dora-Maira au cours des 20 derniers Ma. Pour ces deux massifs, aucune évolution probante du relief n'est mise en évidence. On souligne dès lors le manque de résolution du système apatite pour quantifier l'évolution du relief. Une synthèse des résultats permet de proposer que la déformation soit le résultat d'un équilibre instable entre l'étalement de la chaîne sous l'effet des forces de volume et la cinématique complexe de l'Apulie qui intègre à la fois une composante en translation et une composante rotationnelle.

  • Titre traduit

    Neogene evolution of the south-western Alps (French-Italian border) : an integrated sismotectonic and thermochronological approach


  • Résumé

    This thesis focuses on the Neogene evolution of the south-Western Alps. An integrated approach coupling in-field analysis, seismotectonics and low-temperature thermochronology was adopted and highlights a complex tectonic pattern as an original tecto-morphic evolution within the Alpine belt. The faulting analysis shows a strong original pattern of NW-SE dextral fault drawing orogen-parallel valleys and accompanying the Alpine curvature. These faults coexist with a second order network of steep normal faults accommodating orogen-parallel extension. Paleostress inversions reveal a complex history of stress/strain in the South-Western Alps, involving an extensional and a transcurrent regime. Chronological discrepancies suggest that these regimes have coexisted. I propose that they are end members of a fluctuating stress state that results from interference between a regional extensional field and a more general transpressional field. In our view, the more local field would be induced by gravity while the general field is likely induced by indentation of Apulia. The seismotectonic analysis shows that the south-Western Alps are undergoing extensional to transcurrent deformation in the Briançonnais zone and almost pure extension in the more internal Piemont zone. Extension is oriented E-W, as it is farther north in the arc, in apparent independence with the surface structural curvature. Discussing extension in terms of orogen-perpendicular vs. Orogen-parallel is consequently no longer pertinent in the western Alpine arc. The area undergoing extension overspreads onto the inner fringe of the external zone, and is no longer strictly confined to the internal zones as it is further north in the rest of the arc. I propose that the area affected by extension correlates with high crustal thickness. This would promote buoyancy forces as the main factor governing extension. The arc of the Western Alps mainly reflects the upper-crustal structure and contrasts with more linear structures at depth. This implies a vertical uncoupling probably acquired during the Oligocene climax of the indentation-collision that could explain why the major thrust at the front of the internal arc was not reactivated as an extensional detachment like further to the north. The synthesis of new and previously published Apatite Fission Tracks data confirms that the south-Western Alps have undergone an original tectono-morphic evolution during Neogene times. Thermochronology reveals a rapid exhumation in the Internal zones just after the Oligocene collision climax and confirms a strong jump in age (around 20 Ma) with respect to the External Zone. The latter testifies for reactivation of the front of the internal arc as an extensional detachment soon after the collision climax. I relate the rapid exhumation of the south-Western Alps to the strong erosion of an elevated cordillera taking place in the internal zones. Quantification of relief evolution is tested by using the Apatite Fission track thermochronological system along two transects sampled in the Pelvoux and Dora-Maira massifs. Age-elevation relationships at several topographic wavelengths allow estimating a mean exhumation rate of 0. 4km/Myr for the last 7Myr in the Pelvoux massif and of 0. 1Km/Myr for the last 20Myr in the Dora-Maira massif. No clear evolution of relief through time is evidenced. We underline a general lake of resolution of the AFT system to quantify relief evolution. Synthesis of results allow proposing that the Neogene deformation results from a weak equilibrium between inner-to-the belt processes, related to a gravitational spreading of an overthickenned alpine crust, and outer processes related to the complex indentation/rotation of Apulia.

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  • Annexes : Bibliogr. 250 réf.

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