Activité hors séquence des chevauchements dans la syntaxe nord-ouest himalayenne : apports de la modélisation analogique et quantification quaternaire par analyse morphotectonique

Out of sequence thrust activity in the northern western himalayan syntaxis : analogic models and quaternary quantification by morphotectonic analysis.

• Auteur / Autrice : Violaine Vignon
• Direction : Jean-Louis Mugnier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'univers, et de l'environnement
• Date : Soutenance le 07/11/2011
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre, de l’environnement et des planètes (Grenoble, Isère, France ; 1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Peter van der Beek
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Louis Mugnier, Jean-François Ritz, Anne Replumaz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Joseph Martinod, Yann Klinger

Mots clés

Mots clés libres

Morphotectonique

Datations 14C ; 10Be ; OSL

Terrasse alluviales

Syntaxe Nord-Ouest Himalayenne

Modélisation analogique

Déformation hors-séquence

Morphotectonics

14C ; 10Be ; OSL dating

Fluvial terraces

Analogic experiments

Northern western Himalayan syntax

Out of sequence deformation

Résumé

L’Himalaya est un prisme orogénique cylindrique, répondant dans son ensemble aux caractéristiques du prisme de Coulomb. Ainsi, la localisation de la déformation s’effectue principalement au front du prisme et les chevauchements transportés ne sont affectés que par de faibles réactivations hors séquence. Cependant, la terminaison ouest de la chaîne himalayenne, appelée syntaxe nord-ouest himalayenne, apparaît comme une singularité. Cette région correspond à une zone d’interaction entre différentes directions de déformation, avec, d’est en ouest, la chaîne du Pir Panjal au sud du bassin du Cachemire orientée NW-SE, la syntaxe d’Hazara-Kashmir et la chaîne des Salt Range orientée E-W, et la chaîne des Sulaiman Range orientée NE-SW. La séquence normale de déformation dans la syntaxe nord-ouest himalayenne n’est pas respectée : une activité hors séquence importante, caractérisée par une déformation accommodée sur des structures internes au front de la chaîne, a été mesurée dans la chaîne des Salt Range par l’étude structurale de la région. De plus, la chaîne du Pir Panjal présente une activité tectonique hors séquence à l’échelle du cycle sismique : le séisme du Kashmir de magnitude Mw = 7.6 du 8 octobre 2005 s’est produit sur la faille de Balakot-Bagh (extrémité nord-ouest du Medlicott Wadia Thrust, MWT) située à plus de 100 km du front de la chaîne. Ces observations posent deux interrogations : (i) la déformation hors séquence observée dans la syntaxe nord-ouest himalayenne à l’échelle du cycle sismique et à l’échelle long terme existe-t-elle à l’échelle intermédiaire ? (ii) la configuration géométrique de la syntaxe nord-ouest himalayenne favorise-t-elle la déformation hors séquence observée ? Pour répondre à ces questions nous avons entrepris une étude de terrain morphotectonique afin de caractériser la déformation dans la chaîne du Pir Panjal. Pour cela, nous avons cartographié le long de la rivière Chenab 7 niveaux de terrasses d’abrasion au toit du MWT, et trois événements d’aggradation régionaux que nous avons datés grâce à trois méthodes (53 échantillons 10Be, 6 OSL et 4 14C). Ces remplissages se terminent aux environs de 35 ka, 15 ka et 3.5 ka à la fin d’épisodes de moussons intenses. La topographie de ces terrasses a été mesurée grâce au GPS cinématique et une station totale, et leur déformation montre qu’il existe actuellement deux structures actives dans cette région : la structure frontale qui conduit au développement d’un anticlinal, et un grand chevauchement situé 20 km en position interne : le Riasi Thrust (portion du MWT). La majorité du raccourcissement, qui atteint 16 mm/an dans la région, est accommodée par le Riasi Thrust avec un déplacement sur la faille compris entre 10 et 14 mm/an. Le reste étant principalement accommodé sur la structure frontale. L’étude du chevauchement situé encore en position interne, le Main Boundary Thrust, a montré que cette structure n’est plus active depuis 15 ka. En parallèle, nous avons réalisé une série de 24 expériences analogiques en utilisant une boîte à sable dont la géométrie des bordures reproduit la partie externe de la syntaxe nord-ouest himalayenne et en faisant varier la rhéologie basale et les épaisseurs de matériaux. Ces expériences ont montré un important raccourcissement perpendiculaire à la direction de convergence, et une influence de cette géométrie des conditions aux limites sur la séquence de déformation : le pourcentage de déformation hors séquence est plus important dans ce cas que dans celui d’un prisme cylindrique. Notre étude montre donc que la déformation hors séquence dans la syntaxe nord-ouest himalayenne existe aussi sur une échelle de temps intermédiaire entre le cycle sismique et le long terme. Nous l’expliquons en partie comme une caractéristique de la déformation d’une forme en syntaxe. D’autres mécanismes tels que l’érosion due à de fortes précipitations locales et un héritage structural pourraient également être envisagés.

Himalaya is a mountain range that follows globally characteristics of the Coulomb prism. Upon them, the deformation is globally localized at the front of the range, and transported thrusts show few out of sequence activity. The northern western Himalayan syntax is different from the rest of the range. In this area, several ranges with different orientations interact; from east to west the Pir Panjal Range, orientated NW-SE, the Salt Range globally orientated E-W and the Sulaiman Range orientated NE-SW. The normal sequence of deformation in the syntax is not respected: an important out of sequence deformation has been measured in the Salt Range by structural studies. Moreover, Pir Panjal Range also presents out of sequence deformation as illustrated by the Mw 7.6 earthquake on 8th October 2005. It occurred on the Balakot-Bagh fault (northern extremity of the Medlicott Wadia Thrust, MWT), located more than 100 km from the front. These observations arise two questions: (i) does out of sequence deformation observed in the syntax at seismic and long term time scale exists at intermediate time scale? (ii) does the geometry of the syntax favor the observed out of sequence deformation? To address these questions we characterized the deformation in the Pir Panjal Range through a morphotectonic study. Along the Chenab River, we mapped 7 strath terraces at the hanging wall of the MWT, and dated 3 regional alluviation events using 3 methods (53 10Be samples, 6 OSL and 4 14C). These events correspond to the end of maximum monsoon phases. We measured the topography of alluvial terraces with kinematic GPS and total station and their deformation revealed that in the Pir Panjal Range deformation is localized along two structures: the frontal one that leads to a growing anticline, and a major thrust situated 20 km in internal position, called the Riasi Thrust (segment of the MWT). Most of the 16 mm/yr convergence in the area is absorbed by the Riasi Thrust which fault displacement rate is comprised between 10 and 14 mm/yr. The frontal structure absorbs the remaining part of the convergence. Also, we looked the more internal thrust called Main Boundary Thrust, and showed that this structure is not active since at least 15 kyr. In parallel, we designed a set of 24 analogic experiments using a sand box which borders geometry reproduced the external part of the northern western Himalayan syntax and changing the basal rheology and thickness of materials. These experiments showed an important shortening perpendicular to the convergence direction, and an influence of this geometry on the deformation sequence: the out of sequence deformation percentage is higher than in cylindrical prism. Our study shows that in the northern western Himalayan syntax, out of sequence deformation also exists at intermediate time scale between seismic cycle and long term time scale. It can be partly explained by the geometry of the syntax. Other mechanism such as erosion, due to intense local precipitations and structural heritage could also be considered.