Dynamique de construction et démantèlement des volcans tertiaires et quaternaires des Carpates par des approches géomorphologiques et géochronologiques

par Stéphane Dibacto Kamwa

Thèse de doctorat en Structure et évolution de la terre et des autres planètes

Sous la direction de Pierre Lahitte.

Le président du jury était Xavier Quidelleur.

Le jury était composé de Matthieu Kervyn, Zsolt Benkó, David Karátson, Pierre-Yves Gillot.

Les rapporteurs étaient Matthieu Kervyn, Zsolt Benkó.


  • Résumé

    Dans cette thèse, 47 nouveaux âges ont été obtenus par la technique Cassignol-Gillot. La très bonne reproductibilité des âges obtenus, ajoutée à une stricte cohérence observée entre les édifices volcaniques, supporte l'utilisation de la méthode K-Ar dans la datation des laves des Carpates orientales (Călimani-Gurghiu-Harghita ; CGH) et des dépôts d'ignimbrite du Miocène des Carpates occidentales (les monts de Mátra et Bükk). Dans la partie orientale de la chaîne, les données géochronologiques ont été combinées avec des analyses géomorphologiques pour contraindre l'histoire volcanique et calculer leur taux de construction et d'érosion. Parallèlement, dans la partie occidentale de la chaîne, les données géochronologiques obtenues ont été combinées aux données paléomagnétiques disponibles pour affiner leur stratigraphie. La chaîne des Carpates orientales a connu une migration de son activité éruptive le long de l’arc du Miocène au Quaternaire. Ici, une méthodologie novatrice et complexe apporte de nouvelles contraintes géochronologiques et géomorphologiques sur l'évolution des 20 volcans de la chaîne. Les nouveaux âges ont permis de contraindre leur durée d’activité Par exemple Seaca-Tătarca (6,79-6,47 Ma), Vârghiş (5,47-4,61 Ma) ou de dater l’activité volcanique la plus récente de Călimani. Pour le complexe volcanique de Ciomadul, composé d'une douzaine de dômes de lave, l’activité volcanique a été contrainte entre 704±18 et 28±1ka (<1 Ma) interrompue de périodes de repos. En parallèle, des reconstructions numériques de paléo-topographies volcaniques ont été réalisées dans le but de quantifier leur forme à la fin de leur construction. Les résultats déduits de nos reconstructions ont donné un volume total de matériel émis de 2300km3 sur toute la chaîne avec, à l’échelle de chaque volcan, une large gamme de variation de leur taille (3±3 à 592±115 km³). Ces volumes montrent une nette diminution du nord au sud de la chaîne avec des valeurs de 910, 880, 279 et 165 km³ pour des secteurs géographiques de Călimani, Gurghiu, North Harghita et South Harghita respectivement. Combinés aux âges, ces volumes ont permis de calculer un taux de construction moyen de 200km³/Ma pour toute la chaîne, représenté par deux groupes distincts ; un groupe caractérisé par des taux de construction de 137 km³/Ma caractéristiques des vieux volcans (11-3,6 Ma) suivi d'un groupe avec des taux de construction de 28km³/Ma pour les volcans Plio-Quaternaires. La comparaison des volcans reconstruits et ceux actuels a permis de calculer un volume érodé total de 524±125km³, correspondant à une dénudation moyenne de 22% et à un taux d'érosion moyen de 20m/Ma pour la chaîne de CGH. Suite aux fluctuations climatiques enregistrées le long de cette chaîne, les taux d'érosion caractéristiques de ces grandes périodes climatiques ont été calculés dans le but de montrer le rôle qu’a joué le climat sur les taux d’érosion. Le taux d'érosion le plus élevé de 38m/Ma a été obtenu pour la période régie par un climat continental subtropical modéré transitionnel (9,5-8,2 Ma). Pour la période climatique continentale modérée (8,2-6,8 Ma), caractérisée par des conditions climatiques beaucoup moins humides, un taux d'érosion de 14 m/Ma est proposé. Pour la période correspondant à un climat continental avec identification de périodes semi-arides (6,8-5,8 Ma), un taux d'érosion de 7 m/Ma a été calculé. Pour les volcans Plio-Quaternaires ayant connus des cycles interglaciaires/glaciaires, un taux d'érosion de 28m/Ma a été obtenu. Une telle approche morphométrique et géochronologique quantitative démontre son efficacité à étudier le dynamisme volcanique, y compris les processus de construction et d'érosion au fil du temps. Dans la partie occidentale des Carpates, les âges obtenus sur les coulées de lave de Börzsöny contraignent sa période d'activité entre 14,3-15,1 Ma. Pour les dépôts ignimbritiques de Bükk, les résultats K-Ar évoluent entre 12,7-16,5 Ma.

  • Titre traduit

    Dynamics of construction and dismantling of the Carpathian Neogene to Quaternary volcanism by geomorphological and geochronological approaches


  • Résumé

    In this PhD thesis, 47 new ages have been obtained by the Cassignol-Gillot technique. The very good reproducibility of the ages obtained in this study, added to a strict consistency observed between the volcanic edifices, support the use of the K-Ar method in the dating of the East Carpathian lavas (Călimani-Gurghiu-Harghita) and ignimbrite deposits of the North Hungarian (Mátra and Bükk Mts. [western Carpathians]). In the Eastern part, this new geochronological dataset has been combined with geomorphological analyses to constrain the volcanic history as well as to compute construction and erosion rates of those volcanoes. In parallel, in the western part geochronological dataset has been combined with available paleomagnetic data to refine their stratigraphy. The East Carpathian volcanic range experienced an along-arc, Late Miocene to Quaternary migration of eruptive activity. Here, a novel and complex methodology are presented that yields new geochronological and geomorphological constraints on the evolution of the 20 volcanic edifices. New unspiked K-Ar ages either constrain their lifespan (6.79- 6.47 Ma for Seaca-Tătarca; 5.47- 4.61 Ma for Vârghiş) or date the youngest volcanic activity (central Călimani). For Ciomadul volcanic complex composed by a dozen of lava domes, which hosts the recent volcanic activity since the last 1 Ma, its activity has been constrained between 704± 18 ka and 28 ± 1 ka with several quiescence periods. In parallel, numerical reconstructions of volcanic paleo-topographies were performed to quantify their shape at the end of their construction stage. The inferred initial volcano size shows a wide range (3±3 to 592±115 km³), making up the four main successive volcanic segments (910, 880, 279 and 165 km³ for Călimani, Gurghiu,North Harghita and South Harghita segment, respectively) totalizing 2300 km³. Volume and age constraints allowed computing an average growth rate of 200 km³/Ma for the whole range, characterized by an initial moderate growth rate (137 km³/Ma) of the older volcanoes (11-3.6 Ma) followed by a lower growth rate (28 km³/Ma) obtained for the Plio-Quaternary volcanoes. Comparing reconstructed and current topographies yielded a total eroded volume of 524±125 km³, defining averaged denudation of 22% and a 20 m/Ma erosion rate. Erosion rates for major climatic periods were computed, which highlight the contrasting climatic contexts since 11 Ma. The highest erosion rate (38 m/Ma) occurred during a transitional moderate subtropical continental climate period (9.5-8.2 Ma). An intermediate erosion rate (14m/Ma) characterized a moderate continental climate period (8.2-6.8 Ma) when conditions became less humid. The lowest erosion rate (7 m/Ma) reflects the prevailing continental but occasionally semi-arid climate (6.8-5.8 Ma). The highest erosion rate (28m/Ma) was obtained for Plio-Quaternary times during the interglacial/glacial cycles. Such a quantitative morphometric and geochronological approach demonstrates its efficiency to study volcanic dynamism, including both constructional and erosional processes, through time. In the western part of the Carpathian range, the new ages obtained on the lava flows of Börzsöny made it possible to constraint its period of activity between 14.27 - 15.11 Ma. For the Miocene ignimbrite of Bükk foreland, the new K-Ar results range between 12.7 - 16.5 Ma.



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