Terre de Feu : Interactions entre tectonique et climat à la terminaison sud de l’Amérique

Tierra del Fuego : Interaction between tectonics and climate in the southern end of America

• Auteur / Autrice : Sandrine Roy
• Direction : Joseph Martinod, Riccardo Vassallo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la Terre, de l'Univers et de l'Environnement
• Date : Soutenance le 18/12/2020
• Etablissement(s) : Chambéry
• 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, Isère, France ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Mugnier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Magali Rizza, Sébastien Castelltort, Daniel Melnick
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Stéphane Mazzotti, Edwin Nissen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Zones de failles

Morphotectonique

Mots clés libres

Grand décrochement

Faille de Magellan-Fagnano

Paléoseismologie

Morphotectonique

Modélisation à élement fini

Andes Fuégiennes

Strike-Slip

Magallanes-Fagnano Fault

Paleoseismology

Morphotectonics

Finite element modeling

Fuegian Andes

Résumé

Cette thèse est dédiée à l’étude de la faille active décrochante Magellan-Fagnano (MFF), accommodant le déplacement relatif des plaques Sud-Américaine et Scotia. L’extrême sud du continent américain a été sculpté par les activités conjointes du décrochement sénestre et des grandes glaciations patagoniennes, incisant de proéminents escarpements de faille et façonnant d’immenses détroits et fjords, lesquelles sont étroitement entrecroisés. Dans ces travaux, nous appuyons sur la configuration exceptionnelle de la Terre de Feu, pour étudier l’interaction entre tectonique et climat, ainsi que pour quantifier le comportement de la faille MFF sur plusieurs échelles de temps : sur la période historique d’une part (au cours des deux derniers siècles), et depuis la fin de la dernière glaciation d’autre part (depuis 20 000 ans). Au Chili et en Argentine, l’étude de tranchées paléosismologiques, la cartographie des escarpements, et l’analyse dendroseismologique ont permis pour la première fois de cartographier les surfaces de rupture des séismes de 1879 et 1949 et de mesurer les déplacements cosismique associés. Nos données suggèrent des longueurs de rupture minimales ≥ 200 km et une magnitude en 1879 de Mw ≥ 7.5 pour chacun de séismes. Les déformations postglaciaires (rides allongées, dépressions fermées, pop‐ups, structures en fleur, failles en échelon) témoignent d’une activité Quaternaire particulièrement localisée sur le segment principal du système de failles. L’interprétation paléosismologique de tranchée réalisée dans le secteur argentin permet, en particulier grâce à la datation 14C de niveaux stratigraphiques, d’établir un premier catalogue de séismes majeurs anciens, incluant un minimum de sept événements survenus au cours de l’Holocène. En outre, la datation par cosmonucleïde 10Be d’un marqueur postglaciaire fossile décalé par la faille et sa retrodéformation, indiquent un taux de glissement moyen en Argentine à 6.4 ± 0.9 mm/a depuis 18 ± 2 ka BP. Ces vitesses correspondent aux vitesses actuelles déduites des mesures GPS, et indiquent un comportement stable du secteur argentin depuis les derniers vingt-mille ans. Par ailleurs, les écarts temporels variables entre les séismes majeurs depuis l’Holocène, révèlent deux périodes de récurrences moyennes de 1000 et 70 ans, montrant ainsi que la faille de Magellan-Fagnano a un comportement irrégulier dans le temps. Au Chili, sur le versant nord de la Cordillère Darwin, nous mesurons le décalage horizontal cumulé d’un réseau hydrographique dont la mise en place date de la dernière déglaciation. Ce décalage met en évidence un taux de glissement exceptionnellement rapide de 19.5 ± 3.6 mm/a. Ces résultats indiquent une forte différence de vitesse entre le secteur Ouest de la Terre de Feu, autrefois recouvert par une calotte glaciaire épaisse, et le secteur oriental où la couverture glaciaire a été limitée, voire absente. C’est pourquoi nous explorons comment ces variations de chargement glaciaire interfèrent avec les contraintes tectoniques régionales et peuvent affecter le glissement sur la faille. Nous adoptons une première approche analytique simplifiée, puis une modélisation 3D par éléments finis, afin d’étudier comment la rhéologie de la lithosphère, l’évolution de la charge glaciaire, et son orientation par rapport à celle de la faille, influencent l’activité de la faille. Dans la configuration de la faille de Magellan-Fagnano, les deux approches montrent un ralentissement de l’activité de la faille lors d’une glaciation, suivie d’une augmentation lors de la déglaciation. Néanmoins l’augmentation du taux de glissement lors du déchargement glaciaire reste faible, et ne peux expliquer seulement 4 à 15% du gradient de vitesse observé. Cela souligne notamment l’importance de mieux contraindre la contribution relative de l’ajustement glaciaire isostatique de celle d’un processus néotectonique de soulèvement le long de la Cordillère des Andes Fuégiennes.

This thesis focuses on the present and past deformation along the active strike-slip Magallanes-Fagnano Fault (MFF), accommodating the relative motion between South-American and Scotia plates in Tierra del Fuego. At the southern edge of South America, the long-lasting left-lateral deformation and the successive massive glaciations sculpted sharp disrupted morphologies and vast straits and fjords, whose imprints are tightly intertwined. I take advantage of this unique setting to explore tectonic and climate interaction and improve our understanding of the fault activity over several time-scales: the historical period, Holocene, and Late Pleistocene. Detailed mapping and dendroseismological investigation of the 1879 and 1949 shocks demonstrate their magnitude exceed Mw ≥ 7.5, with a minimal rupture length of 200 km, suggesting the modern largest seismicity is directly triggered by the South American – Scotia plates relative movement. I describe scarps, ridges, pop‐ups, flower structures, and Riedel fractures both in Chile and Argentina, which reveal that most of the post-glacial strike‐slip activity concentrated along the master fault. Based on paleoseismic trench investigations, I present a newly-developed paleo-earthquake catalog with at least seven major events of Mw ≥ ~ 7 during the Holocene. Back‐slip restorations of cumulated sinistral offset combined with 10Be dating gives the first quantification of Quaternary slip-rate in Argentina. Our results yield a geomorphic slip-rate of 6.4 ± 0.9 mm/a since 18 ± 2 ka, which is lined-up with geodetic velocity models, indicating stable behavior for the last twenty thousand years. Our results indicate irregular time of intervals between the Holocene major earthquakes in the eastern Magallanes-Fagnano Fault. Two recurrence times of ~ 1000 years and ~ 70 years suggests we may not expect a predictable interval between major earthquake in Tierra del Fuego. In Chile, at the Cordillera Darwin foothill, new glacial polish 10Be datings, paleoseismic trenching, and back-slip restoration of river channels evidence an exceptionally rapid post-LGM slip-rate of 19.5 ± 3.6 mm/a. These results suggest a pronounced E-W velocity gradient. This substantial velocity discrepancy coincides geometrically with the unequal distribution of the Pleistocene ice-sheet, voluminous and extensive in the west, and limited in the east. Thus, I propose to evaluate how the ice masses acted as a surface load producing a long-lasting viscoelastic deformation of the Earth’s crust and interfered with the regional tectonic field. Using an analytical approach and then a 3D-finite element numerical modeling, I show how material rheologies, load history, and icecap orientation control the fault response. Both approaches model a decrease fault velocity at loading and a post-glacial seismic burst. However, the predicted post-glacial slip-rate increment remains insufficient, and explain no more than ~4-15 % of the velocity discrepancy along the Magallanes-Fagnano Fault. It notably stresses the importance to better constrain the glacial isostasy adjustment contribution from the neotectonic uplift process along the southernmost Fuegian Andes.