Cinématique Cenozoïque de la faille de Wenchuan-Maoxian (Longmen shan, Chine), implications géodynamiques

Wenchuan-Maoxian Fault (Longmen Shan, China) Cenozoic kinematics, geodynamics implications

• Auteur / Autrice : Chenglong Ge
• Direction : Philippe-Hervé Leloup, Haibing Li
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Geologie - tectonique
• Date : Soutenance le 20/10/2023
• Etablissement(s) : Lyon 1 en cotutelle avec Université de Pékin
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Physique et Astrophysique de Lyon (Lyon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement (Lyon ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Yuntao Tian
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe-Hervé Leloup, Haibing Li, Michel Faure, Véronique Gardien, Danping Yan
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Yuntao Tian, Michel Faure

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cénozoïque

Cinématique

Géochronologie

Séisme de Wenchuan (2008)

Sichuan (Chine ; province)

Failles (géologie)

Mots clés libres

Longmen Shan

Faille wenchuan-maoxian

Déformation ductile

Déformation fragile

Pétro-géochronologie

Bâtiment de montagne

Longmen Shan

Wenchuan-Maoxian fault

Ductile deformation

Brittle deformation

Petro-geochronology

Mountain building

Résumé

La ceinture de Longmen Shan (LMS) se trouve à la marge orientale du plateau tibétain, marque la frontière entre le plateau et le bassin du Sichuan, et représente la topographie continentale la plus abrupte au monde. Elle présente un dénivelé vertical de près de 5 000 mètres et présente d'importantes différences dans la structure crustale. La LMS se compose de trois principales failles, de l'ouest à l'est : la faille de Wenchuan-Maoxian (WMF), la faille de Yingxiu-Beichuan et la faille de Guanxian-Anxian. Lors du séisme de Wenchuan Ms8.0 en 2008, les deux dernières failles se sont rompues simultanément et non la WMF. Cependant, les recherches actuelles montrent que la WMF est la seule faille qui développe une déformation ductile et fragile dans la LMS, offrant ainsi une meilleure compréhension du processus de soulèvement de la LMS. En même temps, le sens du mouvement différent de la WMF affecte directement l'établissement de différents modèles du soulèvement de la LMS : le modèle de raccourcissement de la croûte supérieure exige que la WMF soit inverse, tandis que le modèle d'écoulement de la croûte inférieure exige qu'elle soit normale, afin de coordonner l'extrusion des blocs. Par conséquent, la déformation cénozoïque de la WMF est cruciale pour comprendre avec précision la formation de la LMS et l'environnement dans lequel se produisent des séismes puissants. Cet article présente une étude systématique de la géométrie, de la cinématique et de la chronologie de la déformation ductile et fragile au sein de la WMF, et discute de la relation entre la faille et le soulèvement de la LMS dans le cadre des données de chronologie thermique régionale, ainsi que des mécanismes orogéniques possibles à la marge orientale du plateau tibétain. Grâce à des enquêtes de terrain détaillées, nous avons identifié une zone de cisaillement ductile d'environ 3 km de large dans la WMF, au sein de laquelle se trouve une zone de faille fragile composée de gouge de faille et de brèches. Sur la base d'études microstructurales, deux phases différentes de déformation ductile ont été identifiées dans la zone de cisaillement : une déformation normale avec un déplacement dextre vers le nord-ouest et une déformation de chevauchement de direction nord-ouest/sud-est. Des thermomètres à chlorite et à quartz indiquent des températures de déformation d'environ 350 °C et 300 °C respectivement. La macro- et la microstructure de la gouge de faille dans la zone de faille fragile montrent que la faille fragile est clairement dextre avec une composante de chevauchement. Les rivières dissectées et les unités géologiques indiquent un décalage dextre d'environ 25 km. Le timing de la déformation fragile défini par la datation de l'illite authigénique est d'environ 7 Ma, ce qui correspond à une vitesse de glissement dextre d'environ 3,6 mm/an. Les datations directes des failles obtenues dans cette étude correspondent bien aux âges indirects contraints par les données précédentes de thermochronologie sur l'activité des failles, qui ont identifié trois phases de déformation tectonique dans la WMF au cours du Cénozoïque : une déformation normale avec un mouvement dextre pendant l'Oligocène, un chevauchement pendant l'Oligocène à Miocène, et un mouvement dextre avec chevauchement pendant le Miocène supérieur. Nos résultats montrent que la WMF n'a pas connu une déformation normale purement descendante du Cénozoïque, et que la déformation de raccourcissement horizontal a principalement existé depuis l'Oligocène. En combinant ces résultats avec des données géophysiques régionales, nous suggérons que l'écoulement en canal crustal n'a peut-être pas été un mécanisme efficace pour générer et maintenir la topographie abrupte de la LMS, et que la formation de la LMS résulte d'un raccourcissement horizontal et d'un épaississement de la croûte.

The Longmen Shan(LMS) belt is located in the eastern margin of the Tibetan Plateau, marks the boundary between the plateau and the Sichuan Basin, and represents the steepest continental topography in the world. It has a vertical elevation drop of nearly 5,000 m and presents significant differences in crustal structure. The LMS consists of three main faults, from west to east: the Wenchuan-Maoxian fault(WMF), the Yingxiu-Beichuan fault, and the Guanxian-Anxian fault. During the 2008 Wenchuan Ms8.0 earthquake, the last two faults ruptured simultaneously and not the WMF. However, current research shows that the WMF is the only fault that develops ductile and brittle deformation in LMS, hence providing a clearer way to understand the uplift process of LMS. Meanwhile the different motion sense of the WMF directly affect the establishment of different models of the LMS uplift: the upper crustal shortening model requires that the WMF is reverse, whereas the lower crustal flow model requires that it is normal, in order to coordinate block extrusion. Therefore, the Cenozoic deformation of the WMF is crucial to accurately understand the formation of the LMS and the environment in which strong earthquakes occur. This paper presents a systematic study of the geometry, kinematics, and chronology of ductile and brittle deformation within the WMF, and discusses the relationship between faulting and uplift of the LMS in the framework of regional thermal chronology data, as well as possible orogenic mechanisms in the eastern margin of the Tibetan Plateau. Through detailed field investigation, we identified a ductile shear zone of ~3 km wide in the WMF, within which lies a brittle fault zone consisting of fault gouge, breccia. Based on microstructural studies, two different phases of ductile deformation were identified within the shear zone: normal with dextral deformation towards the NW, and NW-SE thrust deformation. Highly accurate petrologic and 40Ar-39Ar chronology constrain the deformation to ~28 and ~15 Ma, respectively. Chlorite and quartz lattice thermometers indicate deformation temperatures of ~350°C and ~300°C, respectively. Macro- and microstructure of the fault gouge within the brittle fault zone show that the brittle fault is clearly dextral with a thrust component. The dissected river and geological units indicate a right-lateral offset of ~25 km. The brittle deformation timing defined by authigenic illite dating is ~7 Ma, thus yielding a dextral slip rate of ~3.6 mm/yr. Direct fault dating obtained in this study is in good agreement with the indirect ages constrained by previous thermochronology data on fault activity, which identified three phases of tectonic deformation in the WMF during the Cenozoic: normal with right-lateral movement during the Oligocene, thrusting during the Oligocene to Miocene, and dextral with thrust movement during the Late Miocene. Our results show that the WMF has not experienced purely downward Cenozoic normal deformation, and that horizontal shortening deformation has mainly existed since the Oligocene. Combined with regional geophysical data, we suggest that crustal channel flow may not have been an effective mechanism for generating and maintaining the steep topography of the LMS, and that the formation of the LMS results from horizontal shortening and thickening of the crust.