Kinematics of active deformation of the Western Kunlun Range (Xinjiang, China) : implications for potential seismic hazards

par Christelle Guilbaud

Thèse de doctorat en Sciences de la terre et de l'environnement

Sous la direction de Yves Gaudemer.

Le président du jury était Robin Lacassin.

Le jury était composé de Yves Gaudemer, Robin Lacassin, Julien Charreau, Aurélia Hubert-Ferrari, Martine Simões, Magali Rizza.

Les rapporteurs étaient Julien Charreau, Aurélia Hubert-Ferrari.

  • Titre traduit

    Cinématique de la déformation active de la chaîne du Kunlun Occidental (Xinjiang, Chine) : potentiel aléa sismique


  • Résumé

    La chaîne du Kunlun Occidental est une chaîne de montagnes intra-continentale en déformation lente, située à la bordure Nord-Ouest du plateau du Tibet. Malgré des évidences de raccourcissement au travers de la chaîne durant le Cénozoique, les taux de raccourcissement actuels sont trop faibles pour être quantifiés par les techniques géodésiques classiques. Par ailleurs, cette région n’a enregistré que peu de sismicité, mais le récent séisme de Pishan en juillet 2015 (Mw 6.4) atteste encore de son activité de nos jours. Dans cette thèse, nous cherchons à identifier les structures actives qui accommodent actuellement le raccourcissement, ainsi qu’à quantifier le taux de raccourcissement au travers de la chaîne, et à explorer la possibilité d’avoir de grands séismes dans cette région.Nous nous concentrons tout d’abord sur la zone épicentrale du séisme de Pishan. En combinant une analyse d’images satellites et de MNT, nous identifions neuf niveaux de terrasses fluviales et de surfaces alluviales incisées au niveau du pli de Yecheng-Pishan. Grâce à certains niveaux datés et à l’enregistrement de leur incision, nous quantifions le taux de raccourcissement sur cette structure à 0.5-2.5 mm/an sur les derniers 400 ka, avec une valeur long-terme plus probable entre 2-2.5 mm/an. A l’aide d’une étude structurale basée sur des cartes géologiques, données de terrain et profils de sismique réflexion du front de chaîne, nous identifions l'écaille chevauchante frontale formant le front de déformation de la chaîne du Kunlun Occidental. Cette écaille est enracinée dans un décollement superficiel, émergeant en surface au sein du bassin du Tarim, 150 à 180 km au nord du front morphologique de la chaîne, au niveau de la ride du Mazar Tagh. De telles dimensions impliquent la possibilité de grands séismes (M>8) si ce décollement était actuellement bloqué et venait à rompre en une fois. Afin d'explorer la potentielle segmentation structurale et d’éventuelles variations du taux de raccourcissement le long du front de chaîne, une étude morpho-structurale du pli de Hotan, situé ~100 km à l'est de Pishan, est menée. Trois coupes géologiques sont réalisées au travers de cette structure, puis combinées avec l’analyse morphologique de terrasses fluviales. Ainsi, malgré des variations sur le nombre de structures aveugles accommodant la déformation active, le taux de raccourcissement semble similaire tout le long du front de chaîne. Ce scénario semble toutefois avoir été plus complexe dans le passé géologique. Enfin, pour avoir une meilleure compréhension de la façon dont la déformation est accommodée au travers de ce système de failles, et afin de vérifier la viabilité de la cinématique connectant le front de chaîne au Mazar Tagh, nous réalisons une nouvelle étude morpho-structurale de la zone où la rampe émerge en surface au cœur du bassin du Tarim. Une coupe géologique est construite à partir d’un profil sismique, permettant d’obtenir la géométrie précise de la rampe. Malgré l’aridité de la région, des terrasses ont été identifiées et échantillonnées pour datation OSL et 10Be. Ces terrasses sont ensuite cartographiées afin de quantifier la déformation enregistrée par ces marqueurs. Cette analyse nous permet ainsi de montrer que la déformation est bien transmise jusqu’à la rampe émergeant en surface au Mazar Tagh. Nous explorons ensuite le potentiel aléa sismique de la région en étudiant des marqueurs morphologiques qui pourraient avoir enregistré des séismes passés. Nos résultats apportent de ce fait une meilleure connaissance des structures actives et de la cinématique de la déformation dans cette chaîne de montagnes, et permettent de discuter du potentiel aléa sismique de la région.


  • Résumé

    The Western Kunlun mountain range is a slowly converging intra-continental orogen located at the northwestern boundary of the Tibetan Plateau. Despite evidence of shortening through the range during the Cenozoic, present-day shortening rates are too low to be properly quantified from geodetic techniques. This region has also recorded limited seismicity, but the recent July 2015 (Mw 6.4) Pishan earthquake shows that this mountain range remains seismic. In this thesis, we aim at identifying the structures that actively accommodate this deformation across the range, at quantifying their slip rate and at exploring the potential for major earthquakes in this region.To do so, we first focus on the epicentral zone of the Pishan earthquake. Combining analysis of satellite images and DEMs, we obtain a detailed morphological analysis of the Yecheng-Pishan fold and find nine levels of incised fluvial terraces and alluvial fans. From their incision pattern and using age constraints available on some of these terraces, we are able to quantify the slip rate on the underlying blind frontal ramp to 0.5 to 2.5 mm/yr over the last ~400 kyr, with a most probable long-term value of ~2.0-2.5 mm/yr. Thanks to a structural study of the mountain front based on topographical and geological maps, field observations and available seismic profiles, we also identify a major active thrust sheet forming the deformation front of the Western Kunlun Range. This thrust sheet roots into a shallow decollement that emerges at the surface 150-180 km further north within the Tarim Basin, at the Mazar Tagh ridge. Such important dimensions imply the possibility of major M ≥ 8 earthquakes in the case that the whole decollement is presently seismically locked and fully ruptures in one single seismic event. With the idea of exploring potential along-strike structural segmentation or variations in deformation rate or in kinematics along the mountain front, a morpho-structural analysis is also conducted at the Hotan anticline, located ~100 km east of the Pishan epicentral area, along the morphological front of the Western Kunlun. Here, we build three geological cross- sections and investigate the record of preserved fluvial terraces. Despite a change in the number of active blind structures accommodating deformation, the slip rate remains similar along the mountain front. This pattern may however have been more complex in the geological past. Finally, to have a better understanding on how this deformation is accommodated through this fault system and to further test the possibility that the Mazar Tagh is really structurally and kinematically related to the folds of the mountain front, we conduct a new morphological and structural analysis of the most frontal ramp emerging at the Mazar Tagh ridge. A structural cross-section is built thanks to the combination of a seismic profile crossing the ridge and using field measurements, allowing us to get the precise geometry of the emerging ramp. Despite the current aridity of the region, a set of terraces is identified and sampled in the field for OSL and 10Be dating. Using Pléiades images and derived DEMs, we map theses terraces to quantify the amount of deformation recorded by these markers. This analysis shows that the kinematics proposed is viable and deformation is most reasonably transmitted from the topographic front of the Western Kunlun Range all the way to the Mazar Tagh emerging ramp. We also investigate potential geomorphic markers that may keep a record of past mega-earthquakes at this site of the deformation front. Our results help us get a better knowledge on the structure and kinematics of this range and its deformation front, and to discuss potential seismic hazards in this slowly deforming region.


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