Tectonique et processus d’exhumation des Cordillères Blanche et Noire en contexte de subduction horizontale (Nord Pérou)

par Audrey Margirier

Thèse de doctorat en Terre solide

Sous la direction de Laurence Audin et de Xavier Robert.

Le président du jury était Peter van der Beek.

Le jury était composé de Michel de Saint-Blanquat, Nicolas Arnaud.

Les rapporteurs étaient Taylor Schildgen, Fritz Schlunegger.


  • Résumé

    Ma thèse se focalise sur l'étude des mécanismes qui ont conduit au soulèvement et à la construction du relief dans les Andes du Nord du Pérou. Dans cette région, la Cordillère Blanche forme les plus hauts sommets péruviens (> 6000 m) et constitue une anomalie à l'échelle des Andes. La morphologie de cette région des Andes est marquée par un pluton de forme atypique, allongé et à l'affleurement sur plus de 150 km. Ce pluton est bordé par une faille normale de plus de 200 km de long. La présence de cette faille normale majeure en contexte de subduction plane reste surprenante car ces zones de subduction planes semblent induire une augmentation du raccourcissement dans la plaque chevauchante. Mon travail a eu pour objectifs de caractériser les variations de l'état de contraintes régional, l'âge du soulèvement et de discuter les processus géodynamiques qui ont contribué à la formation du relief. Dans ce cadre, j'ai utilisé une approche pluridisciplinaire impliquant sur plusieurs échelles spatio-temporelles et comprenant à la fois de nouvelles données de terrain, leur analyse et leur modélisation.Mes données de microtectonique indiquent qu'il est possible de générer de l'extension au dessus d'une subduction plane à l'échelle régionale. Ces données sont en contradiction avec l'augmentation du raccourcissement classiquement attendue dans la plaque chevauchante. Mes nouvelles données de thermochronologie basse température et leur modélisation montrent une augmentation de l'exhumation induite par le soulèvement de la Cordillère Occidentale à 15 Ma. En les confrontant aux modèles précédents, je propose un soulèvement régional lié à l'aplatissement de la subduction et à la topographie dynamique associée.J'ai également étudié l'impact de l'arc Miocène sur le soulèvement à une échelle plus locale. Pour cela, j'ai compilé tous les âges de refroidissement du pluton disponibles dans la littérature. En parallèle, j'ai obtenu les premières données de profondeur de mise en place du batholite de la Cordillère Blanche. Cela m'a permis de proposer une structure du batholite en sills empilés puis basculés vers l'est. De plus, la modélisation des variations spatio-temporelle des taux d'érosion à partir des données de thermochronologie basse température indique une augmentation importante des taux d'érosion dans la Cordillère Blanche à partir de 2 Ma. L'arc Miocène ne semble donc pas contribuer significativement au soulèvement malgré sa probable contribution à l'épaississement de la lithosphère. En revanche, l'érosion glaciaire récente semble contribuer fortement à l'exhumation de la Cordillère Blanche et au basculement du batholite.Dans la dernière partie de ma thèse, pour quantifier l'importance de l'érosion dans la création du relief et le soulèvement, j'ai modélisé l'évolution du paysage de la région (FastScape). Mes modélisations numériques démontrent le rôle majeur de l'érosion et du rebond flexural associé dans la création du relief et les taux de soulèvement. Pour finir, basée sur les données de la littérature et celles apportées par mon travail de thèse, je propose un nouveau modèle pour expliquer la faille normale de la Cordillère Blanche dans son contexte régional. Ce modèle implique une faille normale d'extrado et l'érosion importante du mur de la faille.

  • Titre traduit

    Tectonics and exhumation processes above a flat subduction : example of the Cordilleras Blanca and Negra (northern Peru)


  • Résumé

    My thesis focuses on the mechanisms that controlled the uplift and construction of the relief in the northern Peruvian Andes. In this area, the Cordillera Blanca forms the highest peaks in Peru (> 6000 m), which is a topographic anomaly across the Andes. The morphology of the Cordillera Blanca is marked by an elongated pluton, which outcrops over 150 km. In addition, this pluton is bordered by the largest normal fault from South America. The presence of this major normal fault in a flat-slab context remains surprising because flat slabs usually induce an increase of the shortening in the overriding plate. The aim of my work is to characterize the variations of the regional stress field, the age of the uplift and discuss the geodynamic processes that contributed to relief building. To address these issues, I used a multidisciplinary approach involving new field data, their analysis and modeling.My microtectonic dataset reveals regional extension above the Peruvian flat-slab. This data contradicts the expected increase of shortening in the overriding plate. Modeling my new thermochronologic data shows an increase in the exhumation rates induced by the uplift of the Cordillera Occidental since 15 Ma. I propose that the regional uplift relates to the flattening of the subduction and associated dynamic topography.To address the impact of the Miocene arc on the uplift at a more local scale, I compiled the cooling ages of the pluton available in the literature. In parallel, I obtained the first amphibole thermo-barometry data that constrains emplacement depth of the Cordillera Blanca batholith. Following these data, I propose that the batholith is structured in eastward-tilted sills. In addition, modeling of the space and time variations of erosion rates based on the inversion of thermochronologic data indicates that erosion rates significantly increased in the Cordillera Blanca since 2 Ma. The Miocene arc seems to insignificantly contribute to the local uplift despite its contribution to the thickening of the lithosphere. Thus, I suggest that the recent glacial erosion contributes to the exhumation of the Cordillera Blanca and subsequent tilting of the batholith.Then, I modeled the landscape evolution for the Cordillera Blanca region to quantify the contribution of erosion in the relief building and the uplift. My numerical models (FastScape) evidence the importance of erosion and associated flexural rebound in fostering relief building and the uplift rates.Finally, based on all available data, I propose a new regional model to explain the Cordillera Blanca normal fault. This model implies an extrado normal fault and erosion of the footwall.


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