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Alpes - évolution récente : extension précoce et tardive

Page réalisée sur la base de ma thèse de doctorat, effectuée à l'Université de Neuchâtel (Suisse), en collaboration avec la thèse de J.D.Champagnac et sous la direction de C.Sue et M. Burkhard.
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Téléchargement .ppt : L'extension dans les Alpes (résumé des thèses Sue+Delacou+Champagnac+Allanic)



    1- Analyse de la fracturation : données de terrain

    L’ensemble des données de fracturation présenté dans la thèse de Jean-Daniel Champagnac représente un total d’environ 7000 failles mesurées dans l’ensemble des zones internes de l’arc des Alpes occidentales depuis la région du Simplon, du nord Valais, d’Aoste, jusqu’à la Vanoise, et le Briançonnais.
Cette base de données a été utilisée dans une étude d’inversion de contraintes, représentant un total de 312 tenseurs de paléocontraintes, de manière à établir le régime tectonique associé à la fracturation mesurée.


    

    On observe ainsi dans l’ensemble des zones internes un régime tectonique dominé par l’extension, avec de plus la présence de décrochements.
Les 2 types de régimes, compatibles au niveau des directions d’extension, semblent, par permutation de contraintes, résulter d’un même régime tectonique.
On définit ainsi une direction majeure d’extension, parallèle à l’axe d’allongement de la chaîne, tandis qu’une direction mineure perpendiculaire à l’arc est aussi observée. Par comparaison au régime tectonique actuel, ainsi qu’à partir d’indices de déformations récentes, une chronologie des épisodes d’extension est proposée. Tout d’abord, au Néogène (Miocène à Pliocène ?), le régime tectonique de l’arc interne serait caractérisé par un épisode d’extension parallèle à l’orogène, puis, plus récemment (Pliocène à actuel ?), par un épisode d’extension perpendiculaire à l’arc.

     

    2- Origine des déformations : évolution géodynamique récente

    Au Néogène, le régime tectonique est caractérisé par une extension parallèle à l’axe d’allongement de la chaîne au niveau de l’ensemble des zones internes alors que la collision s’exprime simultanément en domaine externe par la propagation du front compressif (soulèvement des Massifs Cristallins Externes et plissement de la couverture). Ce régime tectonique est interprété comme résultant de l’extrusion latérale des zones internes en réponse au poinçonnement de la plaque Apulienne.
Un des problèmes de cette analyse de tectonique tardi-alpine concerne le manque de contraintes temporelles des structures cassantes observées sur le terrain. De manière qualitative, la fracturation des zones internes est clairement postérieure aux structures ductiles, ce qui nous permet de proposer un âge de mise en place Néogène.

    En comparaison, le régime tectonique actuel est caractérisé par une extension perpendiculaire à l’orogène dans la haute chaîne, tandis que les zones externes sont soumises à un régime majoritairement décrochant, avec localement des zones compressives. Ce régime est interprété dans un contexte post-collisionnel dans lequel l’arrêt de la convergence aux limites permet aux forces de volume gravitaires de s’exprimer, en provoquant l’extension des zones de croûte surépaissies (rééquilibrage gravitaire) et, en réponse, la compression observée localement en bordure de la chaîne. De plus, des conditions aux limites en rotation antihoraire permettraient d’expliquer l’occurrence des décrochements dextres parcourant l’ensemble de la bordure occidentale de la chaîne, en suivant sa géométrie arquée.



    Ces deux régimes tectoniques, fondamentalement différents, résultent de l’interaction dans le temps et l’espace de différents processus géodynamiques guidés par les mouvements aux limites de la chaîne, les forces de volume, la dynamique profonde ainsi que les processus de surface.

Mouvements aux limites :
    - convergence/collision : la convergence des plaques Apulienne et Européenne joue un rôle majeur dans l’édification de la chaîne, aboutissant à l’essentiel des déformations observables à l’heure actuelle. Elle se met en place dès l’épisode de subduction au Crétacé supérieur/Eocène, aboutissant à un raccourcissement estimé à 120 km depuis l’Oligocène (Schmid & Kissling, 2000). Les derniers témoins de cette convergence sont exprimés par la tectonique compressive de l’arc du Jura, qui se met en place à partir du Miocène Supérieur. Actuellement, les mesures GPS acquises depuis une dizaine d’années, montrent des déplacements très faibles (de l’ordre de 1 à 2 mm/a), sans qu’aucune convergence aux limites ne soit établie. La chaîne alpine a donc subi une diminution des taux de convergence entre le Miocène supérieur et l’actuel, probablement durant le Pliocène.

   
- rotation : la rotation antihoraire de la plaque Apulienne, documentée depuis l’Oligocène Supérieur (Vialon et al., 1989; Schmid & Kissling, 2000), est interprétée comme un facteur majeur dans l’édification et la structuration actuelle de l’arc alpin (e.g. Gidon, 1974; Ménard, 1988; Laubscher, 1991; Collombet et al., 2002). En particulier, son expression pourrait être retrouvée dans les décrochements dextres parcourant l’ensemble de la chaîne (ligne péri-adriatique, décrochements Rhône-Mont Blanc-Belledonne, décrochements Haute Durance-Argentera). A l’heure actuelle, la rotation de la plaque Apulienne est établie, avec de faibles vitesses antihoraires autour d’un pôle situé à proximité de Milan (Anderson & Jackson, 1987; Calais et al., 2002). Cette rotation semble donc perdurer tout au long de l’histoire tectonique alpine Tertiaire à actuelle.
    - mise en place de la mer Ligure : en s’ouvrant à partir du Miocène inférieur, la mer Ligure découpe l’architecture alpine précoce (en déplaçant le bloc Corso-Sarde) et aboutit à l’océanisation au cours du Miocène moyen (Gueguen et al., 1998; Rollet et al., 2002; Rosenbaum & Lister, 2004a). L’amincissement lithosphérique se transfère au cours du Miocène supérieur vers le bassin Tyrrhénien, dans un contexte d’ouverture arrière-arc associé au recul de la subduction apenninique/ionienne (Rosenbaum et al., 2002a). Aujourd’hui, la marge de la mer Ligure (côte d’Azur) est caractérisée par un régime compressif (Béthoux et al., 1992), inversant les structures extensives miocènes au moins depuis le début du Quaternaire (Mauffret et al., 1980).


Dynamique profonde :
    - slab break-off : la rupture du slab lithosphérique (ou d’une partie uniquement de ce slab) de la Téthys Alpine semble être à l’origine des évènements extensifs et thermiques dans la chaîne alpine au cours de l’Oligocène (von Blanckenburg & Davies, 1995; Marchant & Stampfli, 1997; Stampfli et al., 1998). Les études de tomographie télésismiques montrent une configuration actuelle complexe des slabs lithosphériques sous les Alpes (Lippitsch et al., 2003; Spakman & Wortel, 2004). Cette configuration est interprétée par certains auteurs comme résultant d’un slab break-off en cours sous les Alpes occidentales (Lippitsch et al., 2003). Néanmoins, ces interprétations doivent être considérées avec prudence, et l’évolution de la structure profonde de la chaîne reste à discuter.


   

   
- indentation verticale : ce phénomène, lié au mouvement vertical d’un poinçon d’origine profonde en contexte compressif, a été proposé pour expliquer le régime extensif observé dans une partie des zones internes de la chaîne (Rolland et al., 2000; Ganne et al., 2004). A l’heure actuelle, un tel modèle impliquerait un découplage important des parties profondes en compression par rapport aux parties superficielles pour lesquelles les mesures GPS ne fournissent aucune évidence de cinématique convergente. Un tel découplage apparaît peu probable et semble ne pouvoir jouer un rôle que pendant l’histoire compressive de l’orogène.


Processus de surface :
    - augmentation des taux d’érosion : une augmentation des taux d’érosion, analysée par des quantifications de flux sédimentaires de provenance alpine (bassins péri-alpins et deltas des fleuves principaux), est établie par (Kuhlemann et al., 2002; Kuhlemann & Kempf, 2002) au cours du Pliocène. Cette augmentation serait reliée à une modification générale du climat européen (Cederbom et al., 2004), devenant plus humide en conséquence des changements de courants océaniques (lié à la fermeture de l’isthme de Panama à 4.6 Ma).
    - rebond post-glaciaire : Le rebond isostasique consécutif à la fonte des glaciers würmiens il y a 19000 ans (Ivy-Ochs et al., 2004) a fait l’objet de nombreuses discussions (Schaer & Jeanrichard, 1974; Gudmundsson, 1994; Persaud & Pfiffner, 2004), sans qu’aucune quantification ne soit clairement établie. La fonte rapide de cette calotte pourrait avoir provoqué un soulèvement généralisé, comme cela a été observé en Scandinavie (Klemann & Wolf, 1998; Wu et al., 1999). Cependant, les études cherchant à quantifier cette réponse se sont toutes heurtée à diverses inconnues, en particulier la méconnaissance des paramètres rhéologiques profonds qui guide les temps caractéristiques de rééquilibrage isostatique consécutifs à l’accumulation, puis la fonte des glaces. Ces études concluent toutes à une possible réponse isostatique actuelle, sans pouvoir en préciser les vitesses et les modalités. Un tel rebond, s’il était encore actif, devrait induire le soulèvement des zones correspondant aux grandes masses glaciaires (e.g. Kelly et al., 2004). Cependant, les taux de soulèvements calculés par nivellement sur le territoire suisse (Gubler et al., 1981; Kahle et al., 1997) ne montrent pas une telle corrélation, et sont plutôt liés à la topographie générale et aux épaisseurs crustales de la chaîne. Il semble donc que le rebond post-glaciaire, s’il a lieu, soit intégré dans un soulèvement isostasique général d’une autre origine.


   
L’interaction entre ces différents processus conduit aux régimes tectoniques observés dans un équilibre subtil entre dynamique intrinsèque (isostasie et étalement gravitaire) et dynamique extrinsèque (cinématique aux limites et processus de surface).




    Trois changements majeurs semblent avoir des conséquences majeures sur le régime tectonique de l’arc alpin, permettant de proposer une évolution temporelle. Tout d’abord, l’arrêt de l’ouverture de la mer Ligure, daté du Miocène supérieur, pourrait impliquer une diminution de l’extrusion vers le sud, et entraîner une diminution de l’extension parallèle à l’orogène. Ensuite, l’augmentation des taux d’érosion, d’une origine tectonique ou climatique (‘chicken or egg’ (e.g. Molnar & England, 1990)), signe probablement une modification géodynamique Pliocène. Cette modification a pu être déterminante dans la modification tectonique observée.
    Finalement, une diminution progressive des mouvements aux limites, en particulier des taux de convergence, apparaît prépondérante dans le changement de régime géodynamique. En effet, l’extrusion implique inévitablement une convergence aux limites qui, en diminuant, laisse la possibilité aux forces de volume de provoquer un étalement gravitaire. Cependant, les modalités de cette diminution de convergence sont difficiles à appréhender, opérant probablement de manière progressive depuis le Miocène.

    En conclusion, nous proposons que le passage d’un régime tectonique guidé par l’extrusion en contexte de collision à un régime gouverné par le rééquilibrage gravitaire post-collisionnel soit lié à un changement dans l’équilibre entre force aux limites et forces de volume. Cette transition a probablement eu lieu durant le Pliocène, en relation avec la diminution du taux de convergence et une forte augmentation de l’érosion.

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