Modélisation physique du rôle des paramètres rhéologiques et cinématiques dans la structuration des bassins de type pull-apart : exemple du bassin d'El Hamma-Gabès, Tunisie centrale

Physical modeling of the role of rheological and kinematic parameters in the structuring of pull-apart basins : example of El Hamma basin, Gabes Central of Tunisia

• Auteur / Autrice : Marwa Boussarsar
• Direction : Bruno Vendeville, Chedly Abbes
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers
• Date : Soutenance le 08/09/2022
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....) en cotutelle avec Université de Sfax (Tunisie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la matière, du rayonnement et de l'environnement (Villeneuve d'Ascq, Nord)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Océanologie et de Géosciences (LOG)
• Jury : Président / Présidente : Laetitia Le Pourhiet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Oriol Ferrer
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laetitia Le Pourhiet, Ferid Dhahri

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles en géologie

Diapirs

Trias

Évaporites

Décrochements (géologie)

Grabens

Gabès (Tunisie)

Bassins sédimentaires

Tectonique du sel

Mots clés libres

Bassins pull-Apart

Niveau de décollement

Pull-Apart basin

Salt tectonic

Décollement

Résumé

Les modèles analogiques de formation des bassins en pull-apart considèrent l’existence de discontinuités basales qui transmettent le mouvement de décrochement dans la couverture sus-jacente. Nous présentons ici une série de modèles réalisés selon un mode opératoire innovant, qui permet la formation de ce type de bassins au-dessus d'une couche visqueuse, par le seul effet de coulissements latéraux dans la couverture, indépendamment du socle. Ce travail est inspiré d’un exemple naturel, le bassin d'El Hamma-Gabes, en Tunisie centrale. Ce bassin correspond à une zone de relais extensif entre deux Couloirs de Décrochements Principaux (CCP) de direction N100-110. Ces couloirs font partie de l’expression en surface de la zone de cisaillement crustale dite « Accident Sud Tunisien ». Ils sont marqués par des cinématiques transtensives dextres pendant l’extension N80 du Crétacé supérieur, et transpressives dextres pendant les compressions N140 au cours du Néogène. Ces mouvements ont assuré et maintenu l’extension de la zone de relais au cours des événements tectoniques aussi bien extensifs que compressifs. Dans cette zone de relais la couverture sédimentaire est adhérente au substratum anté-triasique dans sa partie méridionale, en l’absence du trias supérieur évaporitique. La structuration en subsurface montre un dispositif en horst et graben qui se branchent aux (CCP). Deux méga-grabens sont identifiés : celui d’El Hamma à l’Ouest et celui de Chenchou à l’Est, séparés par le Horst de Jebel Hallouga. Chacun de ces grabens est structuré à son échelle, en une succession de horsts et graben de second ordre. En sections sismiques, des structures en « sabliers » formées par l’interconnexion dans les couches du Crétacé supérieur, de grabens séparés dans des niveaux sous-jacents, se développent dans la partie septentrionale de la zone de relais. Ces structures témoignent d’une extension plus prononcée que dans la partie méridionale, favorisée par un découplage couverture/socle lié à une présence d’évaporites Triasiques dans cette partie de la zone de relais. Les modèles analogiques montrent que : 1- Dans le cas d’une couverture reposant sur une couche visqueuse (silicone) également répartie dans la zone de relais, le pull-apart initié comporte deux grabens chacun connecté à l’extrémité de l’un des (CCP). Les failles bordières de ces structures montrent des tracés courbes. Leur orientation est celle de failles de type R au niveau de leurs jonctions au (CCP), et évolue vers celle de R’, en s’en éloignant. Des percements « diapiriques » se produisent le long des axes des grabens. La restauration des étapes de déformation permet de distinguer les trois stades de mise en place de ces diapirs : stade réactif associé à l’ouverture du graben, actif puis passif syn-cinématiques. Un effondrement du toit de diapir se produit à un stade avancé de la déformation quand la couche de sel est amincie alors que l’extension continue. Les structures en "sablier" se développent dans les couches syntectoniques par propagation vers le haut des failles normales et leur interférence. 2- Dans les modèles à variation latérale de la densité de la couche de décollement, l’extension dans la zone de relais parait plus accentuée dans la zone où la densité est la plus faible. Le graben connecté aux (CCP) du côté de cette zone est plus structuré. Aussi, les structures en sabliers n’apparaissent que dans cette zone à forte extension. Un diapirisme peut se produire à la jonction entre le bassin en pull-apart et le (CCP) de ce même côté. Une analyse de Corrélation d’Images Numériques appliquée à des modèles où la densité de la couche varie latéralement, permet de renseigner de manière quantitative et illustrée, la distribution des champs de déplacement et des taux de déformation, l’évolution spatio-temporelle de la déformation ainsi que la relation entre cette évolution et la rhéologie du niveau de décollement.

Analogue models for the formation of pull-apart basin have involved basal discontinuities that transmit upward the movements and stresses into the overlying cover. Here we present a series of models realized according to an innovative conceptual model that allows the formation of pull-apart basins above a viscous layer, under the sole effect of lateral movement in the cover, independently of the basement.. This work is inspired by a natural example, the El Hamma-Gabes basin, , in central Tunisia.This Basin is an extensional relay zone between two main strike-slip corridors (CCP) of a N100-110 trend. These corridors are the surface expression of the crustal shear zone called "South Tunisian Accident". They are marked by right-lateral transtensional slip during the N80 extensional episode during the Upper Cretaceous, and right-lateral transpressional kinematics during the N140 compression episode during the Neogene. These movements ensured and maintained the extension of the relay zone during both extensive and compressive tectonic events. In the relay zone the sedimentary cover is directly coupled with its pre-triassic basement, in its southern part in the absence of the upper Triassic evaporites.The sub-surface structures shows a horst-and-graben system that connect to the main strike-slip corridors (CCP). Two mega-grabens are identified: the El Hamma graben to the west and (2) the Chenchou graben to the east, separated by the J. Hallouga Horst. Each one of these grabens is internally structured into a sequence of smaller-scale horsts and grabens. In vertical sections, "hourglass" structures formed by the along-strike interconnection of grabens affecting the Upper Cretaceous series develop in the northern part of the relay zone. These structures have an amount of extension greater than that in the southern part, and seem to result from greater decoupling between the cover and basement related to the presence of U Triassic evaporitic deposits in this northern part of the relay zone.Analogue models show that: 1- When a basal viscous layer (silicone) is uniformly distributed across the entire relay zone, the pull-apart basin that forms comprises two grabens, each one connected to the frontal end of one of the (CCP). The boundary faults of these structures have curved traces. Their obliquity is that of Riedel-R-type faults at the junction to the (CCP), and becomes accentuated to take the orientation of Riedel-R'-type faults, away from it. Diapirs occur locally along the graben axes. Restoration of the deformation stages allows us to evidence three successive stages of diapirism: reactive stage associated with the opening of the graben, active and then passive synkinematics. Collapse of the diapir roof occurs at an advanced stage of deformation once the salt layer is depleted but extension continues. The "hourglass" structures develop in the syntectonic layers by upward propagation of normal faults and their interference.2 - In models with lateral density change in the décollement’s density and viscosity, the amount of extension in the relay zone appears to be greater in the area having the lowest density. The graben connected to the (CCP) on the side of this zone is more structured. Also, hourglass structures appear only in this high extension zone. There, diapirism may occur at the junction between the pull-apart basin and the (CCP) on this same side.A Digital Images Correlation analysis applied to models where the density of the layer varies, allowed us to highlight, in a quantitative and illustrated way, the distribution of the displacement fields and of the deformation rate, its spatio-temporal evolution as well as the relation between this evolution and the rheology of the detachment level.