Interaction entre le recul de la fosse Hellénique et l’extrusion Anatolienne en Grèce Centrale : étude multi-échelle des déformations décrochantes et normales

Interaction between Hellenic trench retreat and Anatolian extrusion in Central Greece : multi-scale study of normale and strike-slip deformations

• Auteur / Autrice : Agathe Faucher
• Direction : Frédéric Gueydan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 04/12/2020
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Carole Petit
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Gueydan, Carole Petit, Olivier Vanderhaeghe, Hélène Lyon-Caen, Fanny Garel, Christel Tiberi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Vanderhaeghe, Hélène Lyon-Caen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tectonique

Grèce centrale

Géodynamique

Décrochements (géologie)

Mots clés libres

Failles décrochantes

Géodynamique

Géologie structurale

Fonctions récepteur

Modélisation de la lithosphère

Grèce

Strike-Slip faults

Geodynamic

Structural geology

Receiver function

Modelisation of the lithosphere

Greece

Résumé

La plaque Égéenne est un système géodynamique complexe marqué depuis le Miocène, par l’interaction entre le recul de la fosse Hellénique et le début de l’extrusion Anatolienne. Au Plio-Quaternaire, une torsion de la plaque plongeante à l’Ouest du domaine Égéen et la propagation vers l’Ouest de la Faille Nord Anatolienne, compliquent davantage le système. Les interactions entre ces phénomènes et leurs déformations présentent des zones d’ombre. Il existe notamment un large système de failles NE-SO dont le rôle et les caractéristiques sont encore peu étudiés et qui ne sont pas incluses dans la géodynamique du système Égéen. Le but de cette thèse est de comprendre le rôle de ces décrochements NE-SO dans la tectonique Égéenne depuis 15 Ma et en particulier dans la région Eubée/Attique. Une caractérisation multi-échelle de la déformation de cette région a été effectuée au travers de l’acquisition de nouvelles données de terrain, de traces de fission sur apatite, de fonctions récepteur et de modélisations numériques lithosphériques 3D de la déformation. Les nouvelles données de terrain caractérisent une cinématique décrochante dextre sur la faille NE-SO Pélagonienne. Elle contrôle, avec les failles normales NO-SE, le dépôt de bassins Miocènes, suggérant une activité concomitante des failles normales et des décrochements à cette époque. Nous proposons que la faille Pélagonienne accommode les rotations de blocs au Miocène. L’inversion des contraintes à partir des données de stries sur les failles montre une compatibilité des failles normales et décrochantes associée à une extension évoluant de N-S à NE-SO (durant la rotation des blocs) et une compression E-O. Au Plio-Quaternaire, une modification de la direction d’étirement induit la formation de nouvelles failles normales E-O se développant à l’intérieur des zones de failles NO-SE préexistantes, devenues senestres. Ces systèmes de failles forment des rifts obliques et sont associés à une extension N-S radiale incompatible avec l’activité des failles NE-SO. Nous supposons que ce changement est lié à l’évolution de la torsion de la plaque plongeante. Les âges traces de fission sur apatite montrent une différence d’âge d’exhumation entre la Grèce Centrale et les Cyclades. Nous proposons ainsi que la faille Pélagonienne accommode une extension différentielle au Miocène entre les Cyclades et la Grèce Centrale, respectivement fortement et faiblement étirées à cette époque. Des âges basse température Miocènes provenant des murs de failles normales NO-SE semblent confirmer leur activité au Miocène, concomitante de l’activité de la faille décrochante Pélagonienne. Nos nouvelles données de fonctions récepteur quantifient aussi une extension différentielle en caractérisant un Moho plus profond sous la Grèce Centrale (26,5 km) que sous les Cyclades (25 km) et les Sporades (24,3 km). Une analyse du pendage et de la perturbation du signal sismique suggère que la transition entre la Grèce Centrale et les Cyclades se produit dans une zone étroite, limitée par les failles NE-SO dextres Pélagonienne et Sud-Eubée. Entre la Grèce Centrale et les Sporades, ce saut de Moho est accommodé par une faille normale à fort pendage. L’extension différentielle est donc latéralement accommodée par ces failles crustales, mais aussi par la déformation interne des blocs qu’elles délimitent. Ces nouvelles données montrent l’importance des failles décrochantes dans la géodynamique Égéenne depuis le Miocène. Elles accommodent le raccourcissement E-O et définissent différents blocs qui tournent durant l’extension arrière-arc. Enfin, nos modèles 3D montrent qu’une extension et une compression horizontales et orthogonales à taux égaux causent la formation de décrochements dans une lithosphère continentale chaude. Ces modèles suggèrent que l’activité contemporaine de l’extension, liée au recul de la fosse Hellénique, et de la compression, reliée à l’extrusion Anatolienne, peut expliquer la formation des décrochements en Égée.

The Aegean plate is a complex geodynamic system characterized since Miocene by the interaction between the Hellenic trench retreat and the onset of the Anatolian extrusion. In Plio-Quaternary times, the deformation of the slab in the western part of the Aegean domain and the propagation toward the west of the North Anatolian Fault further complicate the system. The interactions between these phenomena and their deformations presents shadowy areas. There is, in particular, a large NE-SW fault system whose role and characteristics are not studied yet and that are not included in the Aegean geodynamic system. The PhD aims to understand the role of these NE-SW strike-slip faults in the Aegean tectonics since 15 Myr and, in particular, in the Evvia/Attica region. Multi-scale characterization of the deformation of this region was carried out through the acquisition of new field data, apatite fission-track ages, receiver functions, and 3D lithospheric numerical modeling of the deformation. These new field data characterize a dextral strike-slip kinematic on the NE-SW Pelagonian fault. It controls, together with NW-SE normal faults, the deposit of Miocene basins, suggesting a coeval activity of both normal and strike-slip faults during this period. We propose that the Pelagonian fault accommodates the block rotation in Miocene times. The strain inversion from slickenline data on faults indicates the compatibility of normal and strike-slip faults, associated with an extension evolving from N-S to NE-SW (during the rotation of blocks) and an E-W compression. During Plio-quaternary times, a change in stretching direction induces the formation of new E-W normal faults developing within the pre-existing NE-SW fault zones that became sinistral. These fault systems formed oblique rifts and are associated with a radial N-S extension incompatible with the NE-SW fault’s activity. We suppose that this change is due to the evolution of the west slab deformation. Apatite fission-track ages show a difference in ages of exhumation between Central Greece and the Cyclades. Thus, we suggest that the Pelagonian fault accommodates a differential extension during Miocene between the Cyclades and Central Greece, respectively strongly and poorly stretched at this period. Miocene low-temperature ages from NW-SE normal faults hanging-walls seems to confirm their activity in Miocene times, coeval with the strike-slip Pelagonian fault activity. Our new receiver function data also quantify a differential extension by characterizing a deeper Moho underneath Central Greece (26.5 km) than underneath the Cyclades (25 km) and Sporades (24.3 km). An analysis of the dip and the seismic signal perturbation suggests that the transition between Central Greece and the Cyclades occurs in a narrow zone, delimited by dextral NE-SW Pelagonian and South-Evvia faults. In between Central Greece and the Sporades, this Moho step is accommodated by a high-angle normal fault. Thus, the differential extension is laterally accommodated by these crustal faults as well as by the internal deformation of blocks they delimit. These new data point out the significance of strike-slip faults in the Aegean geodynamic since the Miocene. They accommodate the E-W shortening and define different blocks that rotate during the back-arc extension. Finally, our 3D models indicate that horizontal and orthogonal extension and compression at equivalent rates induce the formation of strike-slip faults within a hot continental lithosphere. These models suggest that the coeval activity of the extension due to the Hellenic trench retreat and the compression associated with the Anatolian extrusion can explain the formation of these strike-slips faults in Aegean.