Formation du plateau iranien : contraintes thermochronologiques basse température et modélisation thermomécanique

par Thomas François

Thèse de doctorat en Géosciences et ressources naturelles

Sous la direction de Evgenii Burov, Philippe Agard et de Bertrand Meyer.

Soutenue en 2013

à Paris 6 .


  • Résumé

    La formation des plateaux continentaux résulte d’interactions, encore peu contraintes, entre processus profonds et processus de surface. Ces plateaux orogéniques se développent fréquemment sur la plaque supérieure des zones de subduction s. L. , qu'il s'agisse d'une subduction/collision continentale (i. E. Le plateau Tibétain, Turco-Iranien) ou d'une subduction océanique (i. E. L’Altiplano). La construction et le soulèvement du plateau Iranien constituent un exemple-clef (de par son caractère juvénile) mais encore inexpliqué de formation d’un haut relief endoréique, fréquemment comparé au plateau Tibétain. Le plateau Iranien, d’une altitude moyenne de 1500m, se situe à l’arrière de la chaîne de collision du Zagros, résultat de la collision entre la marge amincie de l’Arabie et l’Eurasie suite à la fermeture de l’océan Néotéthys à l’Eo-Oligocène (i. E. 35 Ma). De nombreuses études récentes suggèrent l’implication d’un détachement Miocène (10-5 Ma) du panneau plongeant sous l’Iran Central pour expliquer la formation du plateau Iranien. Contrairement aux autres plateaux continentaux, les enregistrements sédimentaires montrent que la topographie du plateau est proche du niveau de la mer vers 20 Ma et, conséquemment, que toute la topographie du plateau est acquise après la collision. Cette étude présente une analyse couplée de la formation du plateau Iranien combinant thermochronologie et modélisation numérique. Cette approche nous a permis : (1) de préciser le timing du soulèvement du plateau et de l’intégrer dans la géodynamique de la convergence Arabie-Eurasie et (2) d’éclairer les causes de ce soulèvement. La première partie de ce travail apporte pour la première fois, des contraintes thermochronologiques sur la croissance du plateau à partir de datations (U-Th)/He sur apatites couplées au comptage de traces de fission sur apatites et zircon. Cette étude multi-méthode a permis l’acquisition d’âges de refroidissements sur différentes roches plutoniques d’âges de cristallisation connus, le long des différentes zones à l’arrière de la suture (i. E. Sanandaj-Sirjan Zone (SSZ), Urumieh-Doktar magmatic arc (UDMA) et Iran Central). Ces âges suggèrent un soulèvement constant du plateau depuis au moins 25-20 Ma. On montre qu’à partir de 40 Ma (i. E. Le début de la subduction continentale) l’exhumation est localisée à proximité de la suture des plaques (i. E. , sur la SSZ). A partir de 25 Ma, l’exhumation migre depuis la zone de suture vers la zone du plateau Iranien (plaque supérieure Eurasienne). Cette migration de l’exhumation est interprétée comme une migration de l’accommodation de la déformation : localisée au niveau de la suture pendant les premières phases de la subduction de la marge étirée de l’Arabie (à partir de 40 Ma), elle se positionne dans la plaque supérieure (à partir de 25-20 Ma) après le blocage de la subduction continentale et la suture des deux plaques. L’exhumation constante associée aux enregistrements sédimentaires du Bassin Central Iranien, suggèrent un soulèvement continu depuis ~20 Ma. Dans un second temps, des expériences thermomécaniques ont été développées pour modéliser l'évolution topographique et géodynamique du plateau Iranien. Une partie préliminaire de ce travail de modélisation a consisté à tester la qualité du suivi topographique des modèles, au travers de l'étude rhéologique/topographique de zones-test, les cratons. Ces modélisations, appliquées ensuite au cas Iranien, montrent que le détachement du panneau plongeant sous la lithosphère Eurasienne, n’a pas d’effet sur la topographie de la plaque supérieure. La transition entre subduction océanique et subduction continentale, entraîne la formation d’une topographie importante (~3 km) à l’aplomb de la zone de suture entre les deux plaques. Les résultats suggèrent une influence importante du dynamisme mantellique sur la topographie pendant la subduction continentale. En effet, suite à la diminution de la vitesse de convergence en réponse à la subduction continentale et/ou du détachement du panneau plongeant, le manteau lithosphérique sous la plaque supérieure (Eurasienne) subit une importante délamination. Cette délamination, suggérée par les études tomographiques, entraîne un réajustement isostatique, créant ainsi la formation et la surrection d’un plateau sur la plaque supérieure. Contrairement aux modèles proposés pour la formation du plateau Tibétain, l’épaississement crustal n’est pas nécessaire dans la construction du plateau. Les modèles montrent également que cette délamination de la lithosphère Eurasienne se propage depuis la zone de suture vers les parties internes (plaque supérieure), occasionnant également une propagation de la topographie comme le suggèrent les résultats thermochronologiques. Pour conclure, l’approche combinant thermochronologie et modélisation numérique a permis de préciser le calendrier de la formation et les causes possibles du soulèvement du plateau Iranien. Ces résultats, une fois intégrés dans l’histoire géodynamique régionale de la convergence Arabie-Eurasie, apportent de nouvelles contraintes sur l’âge du début de la subduction de la partie continentale de la marge arabe et de la collision sensu stricto des plaques. A une échelle plus large, ces nouvelles données peuvent être reliées à (1) l’enregistrement de l’anomalie magnétique 7 (24 Ma) correspondant à une réorganisation globale des plaques dans tout l’Océan Indien, (2) l’individualisation de la plaque Arabe du reste de l’Afrique (30 Ma), (3) la phase d’expansion ultra-lente de la dorsale de Carlsberg, entre 40 et 25 Ma, (4) le ralentissement de la plaque Afrique à 30 Ma.


  • Résumé

    The orogenic continental plateau result from the interplay, no well constraints, between surface and deep processes. Orogenic plateau develop frequently on upper plate of the subduction zone s. L. , in the case of subduction/collision continental (i. E. Tibetan plateau, Turkish-Iranian plateau) or oceanic subduction (i. E. The Altiplano). The formation and uplift of Iranian Plateau are a key-example but unexplained of high endorheic relief, often compared to Tibetan plateau. The Iranian plateau, average elevation of 1500 m, is located at the rear of the Zagros collision belt, result of collision between stretched Arabian margin and Eurasia following the closure of Neotethys Ocean during Eo-Oligocene (i. E. 35 Ma). A number of recent studies have suggested an implication of a recent (10-5 Ma) slab break-off below Central Iran to explain the formation of the Iranian plateau. By contrast to the other continental plateau, the sedimentary records show that the elevation of the future Iranian plateau is virtually zero at the start of collision and, consequently all plateau topography is developed post-collision. This study presents a coupled analysis between thermochronology and numerical modelling of Iranian plateau formation. This approach allows us to: (1) precise the plateau uplift timing and integrate it into geodynamics of Arabia-Eurasia convergence and (2) highlight the causes of this uplift. The first part of this work brings for the first time, thermochronological constraints on the plateau uplift from (U-Th/He on apatite and Fission Tracks on apatite and zircon). Apatite and zircon single grain cooling age data were collected on plutonic rocks from the internal domains of Sanandaj-Sirjan Zone (SSZ), Urumieh-Doktar magmatic arc (UDMA), Central Iran and, for comparison, Kopet Dagh. The results suggests a constant uplift of plateau since at least 25-20 Ma. We show since 40 Ma, (i. E. The onset of continental subduction) exhumation is located near the suture zone (i. E. Along the SSZ). Starting from 25 Ma, exhumation shifts from suture zone to Iranian plateau area (Eurasian upper plate). This exhumation migration is interpreted as a migration of deformation accommodation: located on suture zone during the firsts stages of stretched Arabian margin subduction (~40 Ma), it is positioned on the upper plate (~25-20 Ma) after the blockage of continental subduction and the suturing of the plates. Most importantly, we conclude that the uplift of the Iranian plateau was a constant, steady process over the last 20 Ma, at least as a first approximation, as inferred from the combination of constant exhumation in the UDMA and sedimentary records of the central Iranian basin. In the second time, thermomecanical experiments were developed for modelling both the topographic and geodynamic evolution of Iranian plateau. A first preliminary part of this modelling word was to test the quality of monitoring topographic models, through a rheological/topographic of test-areas, the cratons. These models, applied to Iranian case, showed that the slab detachment under the Eurasian lithosphere have no major impact on upper plate topography. Our experiments show that the transition from oceanic subduction to continental subduction very rapidly (< 1Ma) results in significant topography (~3 km) and horizontal shortening located above the subduction interface. The results indicate a significant influence of mantle flow on topography during continental subduction and break-off processes. In fact, after the decrease of the convergence rate in response to the continental subduction and slab break-off, the mantle lithosphere of the overriding plate delaminates from the overlying crust (as suggested by tomographic studies). With local isostatic adjustment, subduction and delamination driven crustal processes plateau-like uplift occurs. Unlike the models proposed for the formation of the Tibetan plateau, the crustal thickening is not necessary in the construction of plateau. The models also showed that the topography uplift, guided by thermal erosion of lithospheric mantle, migrates from the suture zone to the internal parts of the belt (upper plate) as suggested by the thermochronological results. Finally, this coupled approach allowed to specify the timing of Iranian plateau uplift, but also to understand what are the causes can lead to present geological structures. This geodynamic evolution, integrated in Arabia-Eurasia convergence history bring new constraints on the timing of the onset of stretched Arabian margin subduction and on the collision sensu stricto. At a larger scale, these new data can be confronted to (1) the recording of magnetic anomaly 7 (24 Ma) corresponding to a global plate reorganization through the Indian Ocean, (2) the individualization of Arabia from Africa plate (30 Ma), (3) ultra-slow spreading period between 40 and 25 Ma along Carlsberg ridge, (4) the slowdown of African plate at 30 Ma.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (336 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 101-108, p. 205-219, p. 243-270. Notes bibliogr.

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  • Bibliothèque : Université Pierre et Marie Curie. Bibliothèque Universitaire Pierre et Marie Curie. Section Sciences de la Terre Recherche - cartothèque - CADIST.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : T Paris6 2013 257

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 13 PA06 6257
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