Déformation polyphasée et importance de l'héritage structural dans les longmen shan (sichuan, chine) : apports d'une approche couplée entre géophysique et géologie

Polyphased deformation and importance of the structural inheritance in the Longmen Shan (Sichuan, China) : contributions from a coupled study between geophysics and geology

• Auteur / Autrice : Alexandra Robert
• Direction : Manuel Pubellier, Julia de Bernardy de Sigoyer, Jérôme Vergne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre
• Date : Soutenance le 01/09/2011
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Modélisation et Instrumentation en Physique, Energie, Géosciences et Environnement (Orsay, Essonne ; 2010-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Laboratoire de géologie
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuel Pubellier, Julia de Bernardy de Sigoyer, Jérôme Vergne, Jean-Pierre Burg, Stéphane Guillot, Roland Oberhänsli, Hermann Zeyen, Alexander Densmore
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Pierre Burg, Stéphane Guillot

Mots clés

Mots clés contrôlés

Sichuan (Chine)

Tectonique

Orogenèse

Mots clés libres

Longmen Shan

Héritage structural

Plateau Tibétain

Chaîne intracontinentale polyphasée

Orogène indosinienne

Longmen Shan

Tibetan Plateau

Intracontinental mountain belt

Polyphased tectonic history

Tectonic inheritance

Indosinian orogeny

Résumé

L'objectif de cette thèse est de comprendre la formation, la structuration et les processus de réactivation d'une chaîne de montagne intracontinentale atypique : les Longmen Shan, situés dans la province du Sichuan, en Chine. Localisés à la limite entre le craton du Yangtze où s'est déposé le bassin du Sichuan (au Sud-Est) et le bloc du Songpan Garze appartenant au plateau tibétain (au Nord-Ouest), les Longmen Shan se sont majoritairement structurés lors de l'orogénèse indosinienne, à la fin du Trias et ont ensuite subit plusieurs réactivations.Cette chaîne de montagne est donc un endroit privilégié pour étudier la réactivation et l'héritage structural et thermique d'une structure intracontinentale, en relation étroite avec la formation et l'évolution du plateau tibétain. Tout d'abord, pour contraindre les paramètres crustaux, une imagerie crustale détaillée le long d'une coupe à travers cette chaîne est proposée. Une réseau sismologique de 35 stations a été déployé pendant plus de 2 ans le long d'un profil dense. La technique des fonctions récepteurs a été appliquée et les données gravimétriques ont été utilisées conjointement pour renforcer l'imagerie obtenue. Un saut de Moho abrupt de 20km a été imagé, entre une croûte tibétaine épaisse d'environ 63km et la croûte du craton du Yangtze , épaisse de 45km. Ce résultat traduit la confrontation de deux lithosphères d'épaisseurs et de propriétés physiques contrastées. Les rapports Vp/Vs ainsi que les mesures d'anisotropie crustale et mantellique ont montré l'absence d'une zone à faible vitesse ou d'une zone de fluage important au sein de la croûte, ce qui réfute les modèles de déformation de la croûte tibétaine impliquant un chenal de déformation au sein de la croûte tibétaine. L'imagerie crustale a donc mis en évidence un important contraste à l'échelle lithosphérique. Le second axe de ce travail a consisté à étudier cette région à plus long terme en menant une étude stratigraphique, tectonique et métamorphique afin de déduire l'importance de l'héritage géologique dans sa structuration actuelle. Dès le début du Paléozoïque, la marge passive qui sera ensuite inversée présentait déja probablement une variation abrupte de l'épaisseur crustale. Un premier contraste d'épaisseur lithosphérique au niveau des Longmen Shan se situaient donc à la limite entre deux domaines paléogéographiques différents. A la fin du Trias, lors de la fermeture de la Paléotéthys, l'épais prisme sédimentaire du Songpan Garze a débordé sur la marge passive de la bordure Ouest du craton du Yangtze, dans la région des Longmen Shan. Cependant, il n'y a aucune évidence de subduction dans cette chaîne et le métamorphisme associé à cette phase de déformation correspond à des moyennes températures (jusqu'à plus de 600°C) pour des pressions relativement modestes. Les données métamorphiques ont montré un pic de pression (relativement faible, inférieur à 8kbar) suivi d'un pic de température pouvant conduire à une migmatisation associée à une exhumation variable en fonction de la localisation au sein de la chaîne. Les variations latérales de l'exhumation sont interprétées comme directement associées à la dynamique de la mise en place de la nappe du Songpan Garze sur la marge Ouest du craton du Yangtze. L'apex des Longmen Shan correspond donc au front de la nappe du Songpan Garze et délimite deux domaines structuraux et métamorphiques contrastés.Cette étude met en évidence une phase de réactivation à la fin du Crétacé de la chaîne, probablement associée à la rotation dans le sens horaire du craton du Yangtze. Enfin, la dernière phase de déformation affectant les Longmen Shan est une répercussion de la collision entre l'Inde et l'Eurasie qui fini de structurer cette chaîne.Nous avons donc montré qu'une limite paléogéographique majeure, héritée d'une structure en marge passive transtensive peut subir le débordement de nappes sédimentaires provenant d'un prisme distant de très grande taille. Ce débordement a provoqué une inversion de relief et un surépaississement crustal en conséquence de la superposition de ces épaisses nappes. Une fois cette limite tectonique formée, la région va subir plusieurs réactivations liées à des déformations annexes comme l'orogénèse Yanshanienne ou la collision entre l'Inde et l'Eurasie. Cette chaîne est encore active aujourd'hui comme l'a démontré le séisme du Sichuan du 12 Mai 2008 qui a eu lieu dans les Longmen Shan avec des caractéristiques atypiques.

The aim of this study is to understand formation, evolution and reactivation processes of an atypic intracontinental mountain range : the Longmen Shan (Sichuan, China). The Longmen Shan are located at the boundary between the Yangtze craton and the tibetan crust and were mostly formed during the indosinian orogeny, at the end of the Triassic. After this orogeny, the Longmen Shan were reactivated by several deformation phases. This mountain range is a key area to study reactivation processes and structural and thermal inheritance. Furthermore, the Longmen Shan tectonic history is linked with the formation and the evolution of the Tibetan Plateau.At first, a detailed seismological imagery was performed along a cross-section through the Longmen Shan, passing by the epicenter of the Sichuan earthquake. 35 seismological stations were deployed during more than 2 years with a small interstation distance. Using the receiver function method and gravimetric data, a steep Moho step of about 20km between the 63km-thick Tibetan crust and the 45km-thick Yangtze craton was imaged. This geometry is the result of the confrontation between the thick and soft tibetan lithosphere abutting the resistant Yangtze lithosphere. Vp/Vs ratio and crustal and mantellic anisotropic measurements indicate that there is no extensive zone of partial melting inside the tibetan crust, which is in disagreement with models that proposed the occurence of a channel flow inside the crust. The second part of this word was focused on the long-term study of the deformation in the Longmen Shan using stratigraphic, tectonic and metamorphic data. This part highlights the importance of the geological inheritance in the present-day crustal geometry of the mountain range. Since the beginning of the Paleozoïc, the Western passive margin of the Yangtze crust was probably already associated with a crustal thickness step, as a consequence of the transtensive openning context. The Longmen Shan were located at a paleogeographic boundary. At the end of the Triassic, the closure of the Paleotethys is responsible of the formation of the thick Songpan Garze accretionary wedge which overflowed on the Western part of the Yangtze craton margin, in the Longmen Shan area. There is no evidence of subduction in this belt and the associated metamorphism consists of middle temperatures and relatively low pressures. Metamorphic data indicates that a pressure maximum (lower than 8kbar) was followed by a temperature maximum which could be associated with partial melting, as observed in Danba metamorphic complexe. Lateral variations of the recorded exhumation are interpreted as a consequence of the dynamics of the setting up of the Songpan Garze nappe on the Yangtze craton margin. The Longmen Shan are located at the front of the Songpan Garze nappe and marks a transition zone between two contrasted tectonic and metamorphic provinces.This study highlights a cretaceous reactivation phase probably associated with the clockwise rotation of the Yangtze craton. At the end, the last deformation phase is a consequence of the India/Eurasia collision.The Longmen Shan were a major paleogeographic boundary at the end of the Paleozoïc which were subject to the overflow of the thick Songpan Garze accretionary wedge. This overflow is responsible of a relief inversion and a crustal thickenning as a consequence of superposition of the sedimentary pile. After this episode, the region will be reactivated by the distant Yanshanian and the Himalayan orogenies.