Fonctionnement des failles et mécanismes de déformation du sud-est du plateau tibétain

Fault kinematic and deformation mechanisms of the south-east of the Tibetan plateau

• Auteur / Autrice : Paul Pitard
• Direction : Anne Replumaz, Marie-Pierre Doin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre Solide
• Date : Soutenance le 31/03/2022
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Andréa Walpersdorf
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Martine Simões, Riad Hassani
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Marc Jolivet, Aurélia Hubert-Ferrari

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tibet, Plateau du (Chine)

Thermochronologie

Mots clés libres

Modélisation thermo-Cinématique

Modélisation mécanique

Géologie de terrain

Thermochronologie

Plateau du Tibet

Thermochronology

Mechanical models

Tibetan plateau

Thermo-Kinematic models

Field work

Résumé

Le plateau orogénique Tibétain constitue depuis des décennies une structure géologique emblématique de l’étude de la déformation des continents. Comprendre son évolution structurelle est une question épineuse, source de discussions controversées entre les partisans des nombreux modèles clés. Les simulations numériques des forces gravitationnelles associées à un chenal de faible viscosité dans la croûte tibétaine prédisent une déformation continue grâce à l’écoulement de matériel ductile en profondeur. L’observation en surface de grands systèmes de failles, favorise cependant un modèle de déformation localisée à travers l'interaction de failles décrochantes et chevauchantes. Mes travaux de thèse se concentrent sur la marge orientale du plateau, souvent considérée comme un laboratoire naturel à l’élaboration de ces modèles. Au centre de la marge, la faille décrochante de Xianshuihe borde le massif du Gongga Shan culminant à plus de 7550 m d’altitude, et sépare les chevauchements des Longmen Shan au nord, de ceux de la Yalong au sud. Le rôle important des chevauchements des Longmen Shan dans l’épaississement de la marge est bien documenté, notamment suite à leur rupture partielle en 2008 (Séisme de Wenchuan, Mw = 7,9). Mes travaux s’intéressent aux chevauchements de la Yalong localisés sur la marge sud-est du plateau, comprenant la faille de Muli au nord, et la faille de Jinhe-Qinghe au sud. Ces chevauchements sont encore fortement méconnus, et leur rôle dans l’épaississement de la marge reste énigmatique.L’acquisition de nouveaux âges thermochronologiques de basses températures, révèle une forte exhumation (~2,2 km/Ma) du massif du Gongga Shan au cours du Pliocène-Pléistocène. Plus au sud, la faille de Muli présente une forte activité initiée au cours du Miocène à ~12,5 Ma, marquée par une exhumation rapide (0,6 km/Ma). Au plus éloigné du haut plateau, la faille de Jinhe-Qinhe présente une activité plus ancienne, au cours de l'Éocène supérieur et de l'Oligocène inférieur. Une modélisation thermo-cinématique sur la faille de Muli révèle une faille raide en surface (>70°) s’aplatissant en profondeur, en impliquant potentiellement la déformation de la croûte entière, comme suggéré par les images tomographiques sous la marge. En complément, une modélisation mécanique basée sur une croûte visqueuse montre qu’une telle géométrie est susceptible d’induire une déformation localisée dans toute la croûte, un uplift localisé de la surface, et une absence de bassin flexural.Mes travaux de thèse ont permis de mettre en avant le rôle important des mécanismes chevauchants dans la formation et l’évolution du Tibet oriental. Les 15 km d’exhumation enregistrés le long de la faille de Muli depuis l’initiation de la collision Inde/Asie soulignent la forte implication de la croûte supérieure dans l’épaississement du Sud-Est Tibet, en désaccord avec les modèles de déformation continue. Les géométries particulières observées sur les structures des Longmen Shan et de la Yalong sont susceptibles d’impliquer une déformation localisée dans toute la croûte, engendrant l’absence de bassins flexuraux, depuis longtemps utilisée pour minimiser le rôle des chevauchements dans l’épaississement de la marge. La cinématique d’exhumation sur la marge Sud-Est du plateau n’obéit cependant pas aux prédictions de migration de la déformation vers l’extérieur du plateau, proposées par le modèle de déformation localisée. L'Est du Tibet présente donc une histoire plus complexe, avec une succession de phases compressives depuis l'initiation de la collision Inde/Asie.

The Tibetan orogenic plateau has been an iconic geological structure in the study of continental deformation for decades. Understanding its structural evolution is a thorny issue, a source of controversial discussions among proponents of many key models. Numerical simulations of gravitational forces associated with a low viscosity channel in the Tibetan crust predict continuous deformation through the flow of ductile material at depth. The surface observation of large fault systems, however, favors a model of localized deformation through the interaction of strike-slip and thrust faults. My thesis work focuses on the eastern margin of the plateau, often considered as a natural laboratory for the development of these models. In the center of the margin, the Xianshuihe strike-slip fault borders the Gongga Shan massif, which rises to more than 7550 m above sea level, and separates the Longmen Shan thrust faults in the north from the Yalong thrust faults in the south. The important role of the Longmen Shan thrusts in the thickening of the margin is well documented, especially after their partial rupture in 2008 (Wenchuan earthquake, Mw = 7.9). My work focuses on the Yalong thrusts located on the southeastern margin of the plateau, including the Muli fault in the north, and the Jinhe-Qinghe fault in the south. These thrusts are still largely unknown, and their role in the thickening of the margin remains enigmatic.The acquisition of new low temperature thermochronological ages, reveals a strong exhumation (~2.2 km/Ma) of the Gongga Shan massif during the Pliocene-Pleistocene. Further south, the Muli Fault exhibits strong activity initiated during the Miocene at ~12.5 Ma, marked by rapid exhumation (0.6 km/Ma). Farthest from the high plateau, the Jinhe-Qinhe fault shows older activity from late Eocene to early Oligocene activity. Thermo-kinematic modeling on the Muli fault reveals a steep surface fault (>70°) flattening at depth, potentially involving deformation of the entire crust, as suggested by tomographic images below the margin. In addition, mechanical modeling based on viscous crust shows that such a geometry is likely to induce localized deformation throughout the crust, localized uplift of the surface, and an absence of a flexural basin.My thesis work has highlighted the important role of thrusting mechanisms in the formation and evolution of eastern Tibet. The 15 km of exhumation recorded along the Muli thrust since the initiation of the India/Asia collision underline the strong involvement of the upper crust in the thickening of Southeast Tibet, in disagreement with continuous deformation models. The particular geometries observed on the Longmen Shan and Yalong structures are likely to imply localized deformation throughout the crust, resulting in the absence of flexural basins, long used to minimize the role of thrusting in margin thickening. However, the exhumation kinematics on the southeastern margin of the plateau do not obey the predictions of outward migration of deformation proposed by the localized deformation model. Eastern Tibet thus presents a more complex history, with a succession of compressive phases since the initiation of the India/Asia collision.