Impact de la tectonique et du climat sur la sédimentation molassique de l'avant-pays alpin au Paléogène

par Alexandre Hamon

Projet de thèse en Géosciences et géoingénierie

Sous la direction de Vincent Lagneau, Jean-Paul Callot et de Caroline Mehl.

Thèses en préparation à Paris Sciences et Lettres , dans le cadre de GRNE - Géosciences, Ressources Naturelles et Environnement , en partenariat avec Géosciences (laboratoire) , Géosciences - Fontainebleau (equipe de recherche) et de École nationale supérieure des mines (Paris) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 01-10-2018 .


  • Résumé

    La discrimination du rôle relatif entre le forçage interne (tectonique) et le forçage externe (climat) sur le développement des chaînes de montagnes est un sujet qui reste encore aujourd'hui débattu (Molnar et England, 1990 ; Raymo et Ruddiman, 1992 ; Peizhen, 2001 ; Herman et al., 2013). Si la tectonique est considérée comme le processus principal à l'origine de la formation d'un orogène depuis la subduction jusqu'à la collision continentale, l'influence du climat sur l'érosion, la géométrie des reliefs et l'exhumation des roches est aujourd'hui largement démontrée. En effet, l'importance de l'érosion sur la croissance et la géométrie d'une chaîne de montagnes et de son avant-pays, en provoquant un rééquilibrage isostatique (Molnard et England, 1990), a été mise en évidence dans de nombreuses études et modélisations (Roe et al., 2008 ; Whipple, 2009 ; Malavieille et al., 2010). Ainsi, l'influence respective de la tectonique et du climat sur la formation de relief, l'érosion et le remplissage sédimentaire des bassins d'avant-pays demeure une question d'actualité (Herman et Champagnac, 2016 ; Willenbring et Jerolmack, 2016). Si la caractérisation de l'influence du climat vis-à-vis de la tectonique a été étudié sur le long-terme (Molnar et England, 1990 ; Raymo et Ruddimann, 1992) et dans les derniers millions d'années (Pliocène-Quaternaire), à l'échelle globale (Peizhen et al., 2001 ; Champagnac et al., 2012 ; 2014), ou plus locale , les périodes plus anciennes restent peu explorées et se limitent à quelques études sur le Mio-Pliocène (Willet et al., 2006) et Oligo-Miocène (Kuhlemann et al., 2002) et aucune ne s'est focalisée sur les périodes plus anciennes. Le but de ce travail vise à mieux comprendre les rétroactions entre tectonique et climat dans une chaîne de montagne et son avant-pays depuis les premières phases de l'orogénèse, se traduisant par la formation des premiers reliefs dans la chaîne, jusqu'à la propagation de la déformation dans l'avant-pays. Pour ce faire, les Alpes occidentales demeurent un objet géologique de choix de par leur contexte géologique qui a été bien documenté et par la période, la fin du Paléogène, à laquelle l'orogénèse a débuté. De plus, de nombreux sédiments cénozoïques ont été préservés et ont donc pu enregistrer la transition climatique qui s'effectue depuis cette période. La région des Baronnies orientales demeure une cible de choix car des sédiments du Paléogène ont été préservés et cette région est également située à la limite entre de grands domaines structuraux que sont la nappe de Digne à l'Est et la chaîne provençale à l'Ouest et au Sud. Par ailleurs, le Paléogène, et plus particulièrement la période Eocène-Oligocène, marque l'influence simultanée du rift ouest européen (ECRIS) et de l'orogénèse alpine qui se superposent dans l'espace et le temps. La limite Eocène-Oligocène marque la reprise de la sédimentation dans la région. Celle-ci se semble se traduire par une rupture dans la nature des sédiments déposés car la molasse rouge (Eocène supérieur à Oligocène), présente aussi bien dans l'autochtone que dans des écailles tectoniques, est caractérisée à sa base par une brèche (Haccard et al., 1989) se déposant sur un substratum Mésozoïque. L'âge et le mécanisme à l'origine de son dépôt sont mal définis. La région des Baronnies orientales est donc une zone complexe où l'identification des déformations tectoniques et la caractérisation des paléoclimats durant le Paléogène, et plus précisément à l‘Eocène-Oligocène, demeurent relativement méconnues. L'analyse des champs de contraintes et des déformations associées au cours du Cénozoïque, couplées aux observations de terrain (analyse structurale, sédimentologie de faciès) permettront de déterminer l'âge de mise en place des structures tectoniques et d'établir des cartes paléogéographiques restaurées dans le temps. L'identification des principaux événements climatiques grâce à la géochimie isotopique (δ18O, δ13C) servira de marqueur chimiostratigraphique à l'échelle du bassin, ce qui permettra de corréler ou non les variations franches de sédimentation avec des variations climatiques. Le couplage des données recueillies permettra de déterminer l'influence relative de la tectonique et du climat sur les processus à l'origine des dépôts molassiques continentaux de la fin du Paléogène.

  • Titre traduit

    Impact of tectonic and climate on the molassic sedimentation of the alpine foreland at Paleogene


  • Résumé

    Impact of internal driving mechanism (tectonic) and external driving mechanism (climate) on mountain belt development is a topic still debated to this day(Molnar et England, 1990 ; Raymo et Ruddiman, 1992 ; Peizhen, 2001 ; Herman et al., 2013). Although tectonic is considered asthe orogen formation drive, from subduction to collision, the impact of climate on erosion, relief morphology and rocks exhumation is now widely demonstrated. Indeed, the influence of erosion on the growth and the mountain belt geometry and its foreland was highlighted by numerous studies and models (Roe et al., 2008 ; Whipple, 2009 ; Malavieille et al., 2010). Thus, the influence of tectonic, on one side, and climate, on the other side, on the relief formation, the erosion and the sedimentary infill of foreland basin is still a topical issue. Although climate influence, with respect to tectonic, was studied on a long run (Molnar et England, 1990 ; Raymo et Ruddimann, 1992) and for the last million years (Plio-Quaternary), intermediate intervals such as Mio-Pliocene and Oligo-Miocene are less explored and few studies are published (Willet et al., 2006, Kuhlemann et al., 2002) The purpose of this thesis is to reach a better understanding of feedbacks between tectonic and climate in a mountain belt and its foreland from the formation of the first reliefs (early stage) to the propagation of the deformation in the foreland basin (developed stage). In order to characterize theses feedbacks, the western Alps are a very good geological target which is well documented and within the focused timeframe (late Paleogene). Moreover, many Cenozoic sediments are preserved and were recorded the climate shift at this period. The area of Baronnies Orientales remains a preferential target because of the presence of Paleogene sediments. Furthermore, the area is located at the boundary of several structural domains such as the Digne thrust sheet at the East and the Provence belt at the South and West. Besides, Paleogene, and more precisely the Eocene-Oligocene boundary, is the witness of two major deformation phases, the European Cenozoic Rift System (ECRIS) and the Alpine deformation, which are superposed in space and time. The Eocene-Oligocene boundary marks also the upturn of the Cenozoic sedimentation in the region which seems to correspond to a change in sedimentation processes demonstrated by a sharp contrast of sedimentary facies. Indeed, the Molasse Rouge (Late Eocene-Late Oligocene), which is present both in the autochthone and tectonic thrust sheets, is characterized by a breccia (Haccard et al., 1989), deposited on a Mesozoic substratum, whose age and deposit mechanisms are poorly constrained. The area of Baronnies Orientales is a complex region where the characterization of the paleoclimates and the tectonic deformations at the Eocene-Oligocene boundary is poorly known. The study of the stress field and associated deformations during the Cenozoic, linked to field observations (structural analysis, sedimentology), will bring informations on the tectonic structure formation. Paleotopographic maps of the late Paleogene will be realized. The identification of main climate events by using isotopic geochemistry ((δ18O, δ13C) will be used as a chemicalstratigraphic marker at basin scale. This will allow, or not, to linke brutal sedimentation variations to climate variations. Coupling of collected data will allow the determination of relative influence of tectonic and climate on continental molassic deposit processes at the end of Paleogene