Croissance et dénudation des Pyrénées du Crétacé supérieur au Paléogène : apports de l'analyse de bassin et thermochronométrie détritique - Archive ouverte HAL Access content directly
Theses Year : 2011

Croissance et dénudation des Pyrénées du Crétacé supérieur au Paléogène : apports de l'analyse de bassin et thermochronométrie détritique

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Abstract

Orogenic area result directly from the interplay between surface and deep processes. Our ability in discriminating the various forcing parameters controlling the growth of mountain ranges is thus highly dependent on our knowledge of deformation, exhumation and sedimentation timings, combined with precise constraints on the orogen geometry that permit us to quantify accretion and erosion flux. In this regard, the Pyrenees are a very interesting study area. The Pyrenees are an intraplate collision range of the Alpine-Himalayan system. They are built by the shortening of continental thinned margins during the convergence between Iberia and Eurasia lasting from Late Cretaceous to Early Miocene. The Pyrenees consist in a doubly vergent asymmetric orogenic wedge. From Priabonian to Miocene times, the Ebro foreland basin underwent endorheic conditions due to the closure of all oceanic connexions by the the continuing convergence between Iberia and Eurasia. The result is the exceptional preservation of synorogenic strata. Because of the duration of orogenic growth and its sedimentary evolution that both happen during the Cenozoic climatic cooling, the Pyrenees are the perfect target to investigate coupling and retroactions between climate and tectonics. The first part of this work is focused on the infilling of peripheral basins based on well-log data. We discuss ante-convergence evolution, structural inheritance and synorogenic infill. We first calculate subsidence from Late Triassic to Miocene and then we derive sedimentary fluxes from isopach maps. The sedimentary flux increases at the beginning of the collision (Late Cretaceous) and can be correlated to the convergence rates between Iberia and Eurasia. After the Middle Eocene, sedimentary flux increases rapidly that cause the complete filling of the basin whereas subsidence has stopped migrating, convergence is slowing and the orogenic wedge is not widening. A detailed biostratigraphic and sedimentologic analysis of Lutetian-Bartonian boundary limestones show that the disappearance of the platforms is due to an environmental stress caused by the combination of regional tectonics and climatic cooling. In the second part of this work we bring new thermochronological data on the early stages of orogenic growth. This study uses multiple dating methods on single detrital grains (U/Pb and (U-Th)/He on detrital zircons) and Apatite Fission Tracks. The combination of these methods is a powerful tool to identify source-rocks and estimate their cooling histories. The past source-rocks in the retro-wedge to the North are characterized by dominant Cadomian granitoids whereas Variscan granitoids are highly prevailing in the pro-wedge to the South, that is in agreement with current distribution of sources. We identify two Mesozoic exhumation phase before the synorogenic cooling in our samples. The older, with Triassic age, is to relate to the post-Variscan denudation. The second phase is Albian, related to the ante-orogenic extension. Because the samples are non-reset, this demonstrates that Mesozoic burial of sedimentary strata was lower than 2-3 km. We calculate exhumation rates from 0.15 to 0.35 km after the onset of orogenesis based on the different populations recognized in the samples. Finally we propose a reconstruction of the Central Pyrenees based on a crustal-scale balanced and restored cross-section that takes into account the constraints on exhumation and the extreme thinning of continental margins during extension. The restoration gives a minimum shortening of 103 km from an initial stage with the lithospheric mantle exhumed along a south-verging crustal detachment. The comparison of shortening and kinematic models of Iberia's displacement precise the width of the thin- ned domain to about forty kilometers. The restored sections also provide the incoming and outcoming fluxes across the orogenic wedge. We highlight an important phase of wedge contraction, combined with important erosional fluxes that completely fill the Ebro foreland basin during Oligocene. This is coeval with Cenozoic global cooling so we suggest that climate is the major forcing control the the Pyrenean wedge at this time. With this study we demonstrate that with the appropriate coupled methods and data from well-constrained orogens like the Pyrenees we can discuss forcing and growth mechanisms on margin inversion.
Les zones orogéniques sont le résultats d'interactions entre processus profonds et de surface. Notre capacité à distinguer les différents forçages sur la formation des chaînes de montagnes est fortement dépendante d'une connaissance précise du calendrier de la déformation, de l'exhumation et de la sédi- mentation, combinées à des contraintes précises sur la géométrie pour quantifier les flux de matières. Les Pyrénées sont en ce sens exemplaires. Les Pyrénées sont une chaîne de collision intraplaque du système Alpes-Himalaya formée par le rac- courcissement de marges continentales préalablement amincies, lors de la convergence entre la plaque Ibérique et la plaque Eurasiatique du Crétacé supérieur au Miocène. Il s'agit d'un prisme orogénique à double vergence déversé vers le Sud. L'évolution géodynamique de la plaque Ibérique a entraîné la ferme- ture de toutes les connexions océaniques du Bassin de l'Ebre du Priabonien au Miocène, ce qui a permis la préservation exceptionnelle des séries syn-orogéniques. Du fait de son histoire tectono-sédimentaire et sa longue durée de construction, contemporaine des changements climatiques du Cénozoïque, cette chaîne est donc la cible idéale pour l'étude des couplages et rétroactions entre climat et tectonique. La première partie de ce travail présente une étude des données de puits disponibles dans les bassins d'avant-pays. Ces puits sont utilisés pour discuter l'évolution pré-convergence des bassins flexuraux et le remplissage syn-orogénique. La subsidence du bassin du Trias au Miocène est calculée à partir de ces données, qui servent également à estimer le flux sédimentaire sortant du système orogénique à travers des cartes d'isopaques. Le flux de sédiments augmente à la fin du Crétacé, soit au début de la colli- sion et montre une évolution qui est corrélable aux vitesses de convergence de l'Ibérie vers l'Eurasie au début de la croissance de la chaîne. A partir de l'Eocène supérieur, le flux sédimentaire augmente rapidement alors que la convergence diminue et que la chaîne ne s'élargit pas, ce qui cause le com- blement total du Bassin de l'Ebre. Une étude sédimentologique et biostratigraphique a été menée à la limite Lutétien-Bartonien montre que la disparition des plateformes carbonatées est le résultat d'un cocktail fatal refroidissement/flux lors du passage à un régime climatique instable couplé à la tectonique pyrénéenne. Dans un deuxième temps, des nouvelles contraintes thermochronologiques sont apportées sur les premiers stades de croissance de la chaîne à partir de la double datation (U/Pb et (U-Th)/He) sur zircons détritiques, couplée au comptage de traces de fission sur apatites détritiques a permis de caractériser à la fois le type de source à l'affleurement ainsi que leur refroidissement. Une différence est identifiée entre le versant Nord où les granitoïdes Cadomiens sont dominants et le versant Sud où les granites Varisques sont fortement majoritaires, ce qui est en accord avec les roches qui constituent les bassins versants actuels. En plus de l'exhumation syn-orogénique, des phases plus anciennes sont reconnues au Trias et à l'Albien. Le fait que ces phases soient préservées dans les sédiments anciens montre que l'enfouissement pré-orogénique des séries a été limité à 2-3 km au Mésozoïque et permet de comparer les âges obtenus avec ceux disponibles dans la littérature. L'exhumation au Trias est interprétée comme la dénudation post-Varisque et l'exhumation albienne correspond au stade post-rift dans les Pyrénées. Des taux d'exhumation de 0,15 à 0,35 km/Ma sont calculés au début de l'orogenèse à partir des différentes populations reconnues dans les échantillons. La dernière partie de ce travail est une reconstitution de la géométrie des Pyrénées centrales à partir d'une nouvelle coupe crustale équilibrée et restaurée à quatre étapes clés de la croissance orogénique qui tiennent compte des contraintes sur l'exhumation ainsi que de l'amincissement des marges Ibérique et Européenne lors de leur amincissement extrême. La restauration montre un raccourcissement minimal de 103 km à partir d'un état initial où le manteau lithosphérique est exhumé le long d'un détachement crustal. La comparaison du raccourcissement et de la cinématique obtenus avec l'histoire de la convergence de l'Ibérie permet de préciser la largeur du domaine aminci à une quarantaine de kilomètres. Les coupes restaurées sont également utilisées pour estimer des flux de matière au travers du prisme orogénique. Celles-ci mettent en évidence une phase importante d'érosion et de rétrécissement du prisme à l'Oligocène, contemporaine du refroidissement global illustré par de l'établissement des premières calottes polaires, et liée au début du remplissage rapide du bassin de l'Ebre. Cette étude suggère qu'il est possible via des méthodes couplées, adaptées aux orogènes très bien contraints comme les Pyrénées, de discuter des mécanismes de croissance et de forçage contemporains de l'inversion de marges continentales.
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Dates and versions

tel-00642171 , version 1 (17-11-2011)
tel-00642171 , version 2 (13-03-2012)

Identifiers

  • HAL Id : tel-00642171 , version 2

Cite

Pierre-Yves Filleaudeau. Croissance et dénudation des Pyrénées du Crétacé supérieur au Paléogène : apports de l'analyse de bassin et thermochronométrie détritique. Sciences de la Terre. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2011. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00642171v2⟩
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