From rift system to doubly vergent orogen : An evolutionary model based on a case study of the Eastern Pyrenees and controlling factors from numerical models

par Arjan Ruben Grool

Thèse de doctorat en Géosciences

Sous la direction de Mary Ford et de Ritske Huismans.

Le président du jury était Raphaël Pik.

Le jury était composé de Stefan M. Schmalholz, Nicolas Bellahsen, Delphine Rouby.

Les rapporteurs étaient Stefan M. Schmalholz, Nicolas Bellahsen.

  • Titre traduit

    Du système de rift à l'orogène à double vergence : un modèle évolutif basé sur l'étude de cas des Pyrénées Orientales et une étude des facteurs de contrôle à partir des modèles numériques


  • Résumé

    Les orogènes à double vergence sont classiquement définis comme deux prismes critiques opposés (pro et retro) qui évoluent ensemble. Les études récentes montrent que les rétro-prismes et leurs bassins d’avant-pays associés se comportent différemment des pro-prismes. Cependant, ni les facteurs qui mènent un orogène à devenir doublement vergent, ni la relation entre le pro- et rétro-prisme ne sont bien compris. Le but de cette étude est d'améliorer notre connaissance 1) de la relation entre le pro- et le rétro-prisme pendant l'orogénèse, 2) des facteurs contrôlant l'évolution d'un orogène à double vergence, et 3) d’un lien dynamique possible entre le pro- et le rétro-prisme. Répondre à ces questions nécessite une connaissance améliorée de l'évolution d'un orogène à double vergence. Nous nous sommes concentrés sur les Pyrénées Orientales, en raison de la grande quantité de données disponibles. Nous avons effectué une étude de terrain tectono-stratigraphique détaillée à l’est du Massif de Saint Barthelemy et dans l’avant-pays autour de Lavelanet (plaque Européenne). Notre interprétation d’une coupe restaurée intègre une configuration crustale pré-orogenique en tant qu'une marge hyper-amincie. Nous relions l'évolution détaillée du rétro-prisme à celle du pro-prisme (plaque Ibérique), afin de mieux contraindre la dynamique à l'échelle crustale. Nous subdivisons l'évolution des Pyrénées Orientales en quatre phases. La première phase (Crétacé Supérieur) est caractérisée par la fermeture d'un domaine de manteau exhumé entre les plaques et l'inversion synchrone d'un système de rift riche en sel et thermiquement déséquilibré. Le raccourcissement était distribué de façon égale entre les deux marges pendant cette première phase d’inversion. Une phase de quiescence (Paléocène), limitée au rétro-prisme, enregistre la transition entre l'inversion et la phase de collision. La phase de collision principale (Éocène) enregistre le taux de raccourcissement le plus élevé, et était principalement accommodé dans le pro-prisme. Pendant la phase finale (Oligocène) le rétro-prisme était largement inactif et le raccourcissement du pro-prisme a ralenti. Cela démontre que la relation entre le pro- et rétro-prisme change avec le temps. Nous avons utilisé des modèles numériques 2D thermomécaniques à l'échelle lithosphérique pour simuler l'évolution d'un orogène à double vergence s'initie après avec un rift. Nos résultats montrent un modèle évolutif similaire à celui observé dans les Pyrénées Orientales avec une phase d'inversion du rift approximativement symétrique suivie d'une phase de collision asymétrique. L'héritage du rift est essentiel pour permettre le développement d’un orogène à double vergence. Des autres facteurs, comme les processus de surface et la déformation de la couverture, ont un effet significatif sur la structure crustale et la répartition du raccourcissement entre les deux prismes. Un niveau de décollement (sel) à la base de la couverture favorise la formation d'un empilement antiformal d’écailles crustales, similaire à la géométrie observée dans la Zone Axiale des Pyrénées, en formant un prisme à faible pente qui force la déformation crustale à se concentrer dans l'arrière-pays. Enfin, nous montrons que l'évolution des pro- et rétro-prismes est inextricablement liée : des événements ou des conditions d'un côté de l'orogène ont un effet direct sur l'autre côté de l'orogène. Ceci est clairement démontré dans nos modèles par des variations constantes des taux de raccourcissement du pro- et rétro-prisme en réponse à l'accrétion dans le pro-prisme. Le Haut Atlas (Maroc) et Pyrénées peuvent être respectivement considérés comme des exemples d'inversion de rift symétrique et de phases de collision asymétrique ultérieures


  • Résumé

    The doubly vergent nature of some natural orogens is classically understood as two opposing thrust wedges (pro and retro) that comply with critical taper theory. The evidence that retro-wedges and their associated basins behave differently from their pro-wedge counterparts has been steadily increasing over the past few decades. However, what causes an orogen to become doubly vergent is currently not well understood. Nor is the relationship between the pro- and retro-wedge during the evolution of a doubly vergent orogen. It is the aim of this work to improve our understanding of: 1) how the pro- and retro-wedges relate to each other during the orogenic process, 2) what factors control the evolution of a doubly vergent orogen and 3) a possible link between the pro- and retro-wedge. Answering these questions requires an improved knowledge of the evolution of a doubly vergent orogen. We focussed on the Eastern Pyrenees as a type example of a doubly vergent orogen, due to the large amount of available data. We performed a detailed tectonostratigraphic study of the retro-foreland of the Eastern Pyrenees (European plate), updating the interpretation based on recent insights into its hyperextended rift origins. We link the evolution of the retro-foreland to that of the pro-foreland (Iberian plate) in order to derive insight into the crustal scale dynamics. Based on cross section restoration, reconstructed shortening rates and subsidence analysis, we subdivide the East Pyrenean evolution into four phases. The first (Late Cretaceous) phase is characterised by closure of an exhumed mantle domain between the European and Iberian rifted margins, and simultaneous inversion of a salt-rich, thermally unequilibrated rift system. Shortening was distributed roughly equally between both margins during this early inversion phase. Following inversion, a quiescent phase (Paleocene) was apparently restricted to the retro-foreland. This phase may record the period of transition between inversion and full collision in the Eastern Pyrenees. The main collision phase (Eocene) records the highest shortening rates, which was predominantly accommodated in the pro-wedge. Retro-wedge shortening rates were lower than during the rift inversion phase. During the final phase (Oligocene) the retro-wedge was apparently inactive and shortening of the pro-wedge slowed. This demonstrates that the relationship between the pro- and retro-wedges changes through time. We used lithosphere-scale thermo-mechanical numerical models to simulate the evolution of a doubly vergent orogen. Our results show a similar evolutionary pattern as observed in the Pyrenees: A roughly symmetrical rift inversion phase is followed by an asymmetric collision phase. Rift inheritance was found to be essential for enabling double vergence. Other factors, such as surface processes and thin-skinned deformation, were found to have a significant effect on the crustal structure and strain partitioning between both wedges. A salt décollement layer in the sedimentary cover promotes the formation of a crustal antiformal stack such as observed in the Pyrenees and Alps by forming a wide and low-taper thin-skinned fold-and-thrust belt that forces crustal deformation to focus in the hinterland. Finally, we show that the evolution of the pro- and retro-wedges is inextricably linked: events or conditions on one side of the doubly vergent orogen have an immediate effect on the other side of the orogen. This is clearly demonstrated in our models by constant variations in shortening rates of the pro- and retro-wedge in response to accretion of new pro-wedge thrust sheets. The High Atlas (Morocco) and Pyrenees can be seen as examples of symmetric rift inversion and later asymmetric collision phases, respectively


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