Datation des phases critiques de fracturation et caractérisation des fluides au cours de l'évolution du prisme alpin.

Dating of critical fracturing phases and characterisation of involved fluids during the evolution of the Alpine prism.

• Auteur / Autrice : Antonin Bilau
• Direction : Yann Rolland, Stéphane Schwartz
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences Terre, Univers et Environnement
• Date : Soutenance en 2022
• Etablissement(s) : Chambéry
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Ingénierie Environnement
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Environnements, Dynamiques et Territoires de la Montagne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Rolland, Joseph Martinod, Delphine Bosch, Olivier Fabbri, Florence Cagnard, Laurence Audin, Christian Sue, Stéphane Schwartz
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Delphine Bosch, Olivier Fabbri

Mots clés

Mots clés libres

Calcite

Prisme orogénique

Alpes

Front Pennique

Penninic Front

Orogenic wedge

Calcite

Alps

Résumé

Dans les Alpes, les différentes unités géologiques et structures tectoniques en surface sont bien caractérisées par les études de terrain et en profondeur par les méthodes d'imagerie géophysique. En revanche, les âges de fonctionnement de structures tectoniques majeures sont uniquement contraints par des critères de recoupements ou des datations indirectes. Les avancées majeures des méthodes de datation directes U-Pb et (U-Th)/He, notamment via le développement de l'analyse par ICP-MS laser, rendent possible la datation in-situ de nombreux minéraux comme la calcite ou l'hématite. Ce minéral est commun dans les milieux superficiels ou s'exprime la déformation cassante et permet de dater les mouvements sur les failles. L'objectif de cette thèse est d'apporter des contraintes chronologiques absolues sur le fonctionnement des structures majeures ayant formé le prisme orogénique alpin. Ces travaux se basent sur une approche multidisciplinaire à partir d'une étude de terrain, d'une étude pétrologique de détail des échantillons prélevés, l'analyse de leur composition isotopique et enfin des datations. Dans la partie frontale, provençale, des Alpes, des âges U-Pb sur calcite obtenus sur des chevauchements à vergence Nord ont été obtenus à 97-90 Ma (Turonien-Cenomanien). Ces chevauchements sont associés à la phase compressive N-S de la déformation Pyrénéo-provençale plus précoce que l'âge de ~85 Ma avancé dans les modèles, ce qui suggère une initiation intra-plaque diffuse de cette phase de collision avant la localisation d'une zone de subduction. L'âge de fonctionnement des structures chevauchantes correspond également à celui de l'exhumation de la plateforme carbonatée de la Provence et à la formation des bauxites. Dans les massifs subalpins, la méthode de datation U-Pb sur calcite a permis de contraindre pour la première fois, la propagation du fold and thrust belt des chaînons subalpins. Plusieurs étapes de déformations ont été identifiées (15 Ma pour le chevauchement le plus à l'Est, 12 Ma pour les deux suivants vers l'Ouest et enfin 7-10 Ma pour le chevauchement le plus à l'Ouest). Les âges thermochronologiques des massifs cristallins externes (MCE) sont synchrones des chevauchements, ce qui indique un enracinement de ceux-ci sous les MCE. Des signatures de Δ47 en accords avec des températures de +140°C témoignent d'un enfouissement important (4-6 km) pour la partie Est des massifs subalpins. Dans la partie centrale de ces massifs, des températures de 50°C sont obtenues en lien avec la circulation de fluides météoriques qui indiquent une profondeur d'enfouissement de 1-2 km. Dans les zones internes, la formation du faisceau de failles normales de la Haute-Durance a été contrainte par des datations U-Pb sur calcite et (U-Th)/He sur hématite. A l'Est de la zone briançonnaise, des âges de 12,7 Ma jusqu'à 8,5 Ma ont été obtenus. Ces âges minima pour l'extension sont cohérents avec le modèle d'exhumation des zones internes et externe basé sur les traces de fissions sur apatite. A l'Ouest, proche du Front Pennique, les âges (U-Th)/He sur hématite se répartissent sur une gamme entre 2 Ma et 0,1 Ma. Dans la même zone, des âges U-Pb sur calcite de 5,5 Ma et de 3,5-2,5 Ma indiquent que le régime sismotectonique actuel en extension enregistré dans la zone fonctionne depuis au moins 6 Ma. Les calcites présentent une signature en δ13C et δ18O proche de celle des calcites des massifs cristallins externes témoignant d'un système plus ouvert. Ces dernières se déroulent pour des températures de cristallisation de la calcite d'environ 130°C. Ces fluides chauds sont mobilisés par les failles lors de leur enracinement en profondeur sur le Front Pennique. Lors de la dernière phase d'exhumation (marquée par la cristallisation d'hématite), la zone est dominée par l'influence des fluides de surface. Des températures de cristallisation de ~35°C sont enregistrées en cohérence avec les fluides mesurés au niveau des sources hydrothermales de la région.

In the Alps, the main geological units and tectonic structures are well characterised since a long time by geological investigations at the surface and by geophysical imaging methods at depth. However, the ages of major faults are mostly constrained by cross-cutting relationships or by indirect dating using thermochronology. Now, major advances in direct U-Pb and (U-Th)/He dating methods, and notably of in situ laser ICP-MS analysis, make it possible to date minerals like calcite or hematite. These minerals are common in superficial environments where brittle deformation is expressed and, which allows the dating of fault movements. The objective of this thesis is to provide some absolute chronological constraints on the brittle activity of major faults that formed the Western Alpine orogenic prism. This work is based on a multidisciplinary approach comprising a detailed field study, a petrological study, a geochemical analysis of calcite and hematite (especially a stable isotopic analysis) and dating of both minerals using the U-Th-Pb system. In the frontal (Provence) part of the Alps, U-Pb dating on calcite on north-verging thrusts returned ages of 97-90 Ma (Turonian-Cenomanian). These thrusts are associated with the N-S compressive phase corresponding to the Pyrenean phase of deformation. The U-Pb calcite ages suggest onset of this phase earlier than is generally thought (~85 Ma age based on a shift of paleomagnetic data). This early and far-field deformation argue for a diffuse intra-plate initiation of the Pyrenean collision phase prior to the localization of a subduction zone. The age of the overriding structures is also consistent with the exhumation of the carbonate platform of Provence and the formation of bauxites. In the subalpine massifs, the U-Pb dating method on calcite has made it possible to constrain for the first time, the propagation of the fold and thrust belt in SW Alps. Several stages of deformation have been identified (15 Ma for the easternmost thrust belt, 12 Ma for the next two and finally 7-10 Ma for the westernmost thrust). The thermochronological ages of the External Crystalline Massifs (ECMs) suggest an exhumation synchronous with the thrust activity, indicating that the latter merge and root beneath the front of ECMs. In the eastern subalpine massifs, Δ47 ratios are in agreement with temperatures of 140°C indicating a significant burial (4-6 km) below the Alpine nappes. This burial decreases significantly in the central part of subalpine massifs, where temperatures of 50°C are obtained indicating a burial depth of 1-2 km. In the Alpine internal zones, the formation of the Haute-Durance normal fault system has been constrained by U-Pb dating on calcite and (U-Th)/He dating on hematite. To the east of the briançonnais zone, ages ranging from 12.7 Ma to 8.5 Ma have been obtained. These minimum ages for the extensional phase are consistent with previous exhumation model of the internal and external zones based on fission tracks on apatite. To the west, along the Penninic Frontal Thrust, (U-Th)/He ages on hematite range from 2 Ma to 0.1 Ma. In the same area, U-Pb ages on calcite of 3.5-2.5 Ma (and a complementary age of 5.5 Ma to the East) indicate that the extensional seismotectonic regime that is currently recorded in the area has been active for at least 6 Ma. The calcites have a δ13C and δ18O signature close to that of calcites from the External Crystalline Massifs, indicating a more open system with calcite crystallisation temperatures of around 130°C. These hot fluids are mobilised by faults when merging on relatively deep portions (>3 km) of the Penninic Frontal Thrust. During the last phase of exhumation (marked by hematite crystallisation), the zone is dominated by the influence of surface-derived fluids. Crystallization temperatures of ~35°C are recorded, which corresponds to the temperature of fluids measured at the hydrothermal springs in the region along the same fault system.