L’arc des Alpes occidentales : cinématique et mécanismes de formation au jour de nouvelles données structurales et paléomagnétiques

The arc of the Western Alps : understanding its kinematics and formation mechanisms based on new structural and paleomagnetic data

• Auteur / Autrice : Quentin Brunsmann
• Direction : Claudio Rosenberg, Nicolas Bellahsen, Laetitia Le Pourhiet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géologie
• Date : Soutenance le 30/06/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre de Paris (2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Laurent Jolivet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Rolland, Charles Aubourg
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mary Ford, Alfons Berger

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géomorphologie

Paléomagnétisme

Tectonique

Cycle alpin (géologie)

Alpes (ouest)

France

Montagnes

Mots clés libres

Arc des Alpes occidentales

Tectonique

Cinématique

Géologie structurale

Paléomagnétisme

RSCM

Arc of the western Alps

Tectonics

Kinematic

Structural geology

Paleomagnétism

RSCM

Résumé

La formation des arcs orogéniques résulte de plusieurs processus tectoniques ayant agi sur la configuration pré-orogénique, pré-collisionnelle ou sur la tectonique collisionelle. La formation de l’arc des Alpes occidentales est attribuée à l’indentation collisionnelle de la marge Européenne et du prisme orogénique par l’indenteur Adriatique. Cependant la direction d’indentation, sa composante rotationnelle et les mécanismes d’accommodation ne font pas consensus et de nombreux modèles cinématiques proposent des explications incompatibles entre elles, afin d’expliquer la géométrie arquée de la chaîne. L’évaluation des différents modèles de formation de l’arc des Alpes occidentales met en avant la probabilité de l’existence d’un proto-arc hérité de la phase de subduction et amplifié par l’indentation Adriatique, essentiellement vers le NW. Ces deux phases permettent d’expliquer la formation de l’arc à l’exception de sa terminaison méridionale E-W. En effet l’orientation des structures de l’arc de Castellane semble héritée des structures pyrénéo-provençales, antérieures à la collision Alpine et réactivées par une convergence N-S post-Tortonien (~12 Ma), sans lien direct avec la collision Alpine. Concernant la direction WNW-ESE des Alpes Ligures, elle semble être influencée par la rotation antihoraire de 50° des Apennins, liée au rollback du slab Adriatique, contemporain de l’ouverture du bassin Liguro-Provençal (23-15 Ma). Une compilation exhaustive des données de paléomagnétisme dans les Alpes a été construite et complétée par 11 sites de nouvelles données. L’étude des rotations d’axe vertical de ces données a permis de réfuter l’existence d’une rotation significative de la plaque Adriatique durant la collision Alpine. Les tests oroclinaux, réalisés à plusieurs échelles, mettent en évidence que l’arc des Alpes occidentales se développe sous l’effet de l’indentation vers le NW à partir d’un prisme orogénique déjà faiblement arqué avant la collision. La marge Européenne ne semble pas subir de rotation, impliquant une propagation d’un arc hérité de la marge passive Mésozoique. La géométrie actuelle de l’arc serait principalement contrôlée par la structure pré-collisionnelle de la marge Européenne que le prisme orogénique adopte sous l’effet de l’indentation Adriatique vers le NW. Sa terminaison méridionale aurait une histoire géodynamique différente. Elle serait le résultat de l’héritage pyrénéo-provençal avec réactivation Miocène dans la Zone Externe, et d’une rotation antihoraire de la Zone Interne, en lien avec l’orogénèse Apennine. L’indentation Adriatique, parfois interprétée comme principalement vers l’ouest, serait accommodée au Sud de l’arc par un décrochement senestre d’environs 50km selon la littérature. Cette interprétation est testée par une étude structurale de terrain, associée à une analyse géostatistique des trajectoires en carte des plans de schistosité et de stratigraphie. Les résultats semblent confirmer l’existence de décrochements senestres associés à une tectonique transpressive syn-collisionnelle. Cependant l’importance de ces décrochements paraît marginale en comparaison des 50 km de déplacement supposé. Cette analyse structurale a par ailleurs mis en évidence une déformation polyphasée dans le Dauphinois, associée à une mylonitisation localisée et caractérisée par un étirement N120°. L’évaluation des températures maximales par la méthode RSCM indique des Tmax supérieures à 350°C à la bordure Nord de l’Argentera, atteignant localement 400°C correspondant à un métamorphisme régional plus important que celui généralement attribué à ce secteur des Alpes. Ce métamorphisme est principalement associé à l’enfouissement tectonique par le passage des nappes internes sur le Dauphinois au début de la collision. Dans la région du massif de l’Argentera, les Tmax dans le Dauphinois correspondent à une profondeur d’enfouissement de 11 km au niveau du Front Pennique diminuant jusqu’à 4 km à l’aplomb de l’arc de Castellane.

The formation of orogenic arcs results from several tectonic processes that may have affected the pre-orogenic, pre-collisional tectonic setting, or the collisional tectonic. The formation of the Western Alpine arc is classically attributed to collisional indentation of the European margin and the orogenic prism by the Adriatic indenter. However, the direction of indentation, its rotational component, or the accommodation mechanisms of this indentation are not agreed upon and the numerous kinematic models of the arcuate geometry of the chain are not compatible with one another. The evaluation of the different models of the formation of the Western Alpine arc allows to put forward the probability of the existence of a proto-arc inherited from the subduction phase, and amplified by the Adriatic indentation towards the NW. These two processes explain the formation of the Western Alpine arc, except for its E-W southern termination. Indeed, the orientation of the Castellane Arc seems to be mainly inherited from the Pyrenean-Provençal structures, preceding Alpine collision, and reactivated by post-Tortonian (~12 Ma) N-S convergence, not directly related to Alpine collision. Concerning the WNW-ESE direction of the southern termination of the arc, which forms the Ligurian Alps, it seems to have rotated counterclockwise by 50° with the northern Apennines, linked to the rollback of the Adriatic slab, contemporary with the opening of the Liguro-Provençal basin (23-15 Ma). A compilation of paleomagnetic data in the Alps was constructed and completed with 11 new data sites. The study of vertical-axis rotations, estimated by paleomagnetic analysis refutes the existence of significant rotation of the Adriatic plate during Alpine collision. Oroclinal tests, carried out at several scales, show that the Western Alpine arc develops under the effect of indentation towards the NW from an orogenic prism that is already weakly arcuate before the onset of collision. Furthermore, the European continental margin does not seem to undergo significant rotation, implying propagation of an arc that is mainly inherited from the Mesozoic passive margin. The present geometry of the Western Alpine arc would be mainly controlled by the pre-collisional structure of the European margin that the orogenic prism adopts under the effect of NW Adriatic indentation. Its southern termination would have a different geodynamic history. It would be the result of Pyrenean-Provençal inheritance, reactivated during the Miocene in the External Zone, and of an anti-clockwise rotation of the Internal Zone, linked to the Apennine orogeny. Adriatic indentation, sometimes assumed to follow a westward trajectory, would be accommodated to the south of the arc by a sinistral shear zone of about 50km according to literature. This interpretation is tested by a structural field study, associated with a geostatistical analysis of map trajectories of the schistosity and stratigraphy planes. The results confirm the existence of sinistral shear zones associated with syn-collisional transpressive tectonics. However, these faults seem to represent minor structures with respect to the accommodation of 50 km of displacement. This structural analysis has also highlighted polyphase deformation in the Dauphinois, associated with localised mylonitisation is characterised by a N120° stretching. The assessment of the maximum temperatures by the RSCM method indicates temperatures above 350°C at the northern edge of the Argentera, reaching locally 400°C, corresponding to a regional metamorphism that is more important than the one attributed to this sector of the Alps. This metamorphism is mainly associated with tectonic burial due to thrusting of the internal nappes on the Dauphinois at the beginning of collision. In the Argentera Massif region, the Tmax in the Dauphinois correspond to a burial depth of 11.3 ± 1 km at the level of the Pennine Front, decreasing to 4 km below the Castellane arc.