Architecture structurale et dynamique Néogène à Quaternaire de l'avant-arc terre-mer des Andes du Nord (bassins de Tumbes, Guayaquil et Progreso ; Nord Pérou-Sud Equateur)

Neogene to Quaternary structural and dynamic architecture of the land-sea fore-arc of the North Andes (Tumbes, Guayaquil and Progreso basins; North Peru-South Ecuador)

• Auteur / Autrice : Andréa Peuzin
• Direction : François Michaud, Marianne Saillard
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Doctorat sciences de la planete et de l'univers
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire GEOAZUR

Mots clés

Mots clés libres

Subduction

Terrasses marines

Coupes équilibrées

Tectonique

Géodynamique

Andes du Nord

Geodynamics

Subduction

Balanced cross-sections

Marine terraces

Northern Andes

Tectonics

Résumé

Les systèmes d'avant-arc sont des zones géologiques complexes et actives, en grande partie sous-marines, qui se développent au-dessus des zones de subduction, entre la fosse de subduction et l'arc volcanique (Dickinson et Seely, 1979; Dickinson, 1995). Plusieurs travaux ont montré que la dynamique de la subduction (direction, vitesse, flexure), la subduction d'aspérités (rugosité de la plaque océanique, rides, volcans), la quantité de sédiments dans la fosse et l'avant-arc, le couplage intersismique entre les plaques, la tectonique de la plaque supérieure et l'histoire de l'arc peuvent exercer un contrôle sur le style structural (accrétion ou érosion) et sur le développement de nombreux systèmes d'avant-arcs (e.g., Le Pichon et al., 1993; Lallemand et al., 1994; Dickinson, 1995; Von Huene et Lallemand, 1990; Clift et Vannucchi, 2004; Fuller et al., 2006; Takano et al., 2013; Martinod et al., 2016; Noda, 2016; Collot et al., 2017). Bien que le soulèvement de l'avant-arc semble étroitement lié à la dynamique de la subduction, les mécanismes à l'origine de la surrection et de la subsidence dans les zones d'avant-arc restent encore mal compris (pendage du slab, chevauchement, sous-placage, érosion basale, subduction d'aspérité et/ou de ride, etc…). La marge andine est l'une des zones de subduction les plus actives au monde, caractérisée par les plus gros séismes jamais enregistrés jusqu'à présent (e.g., Kelleher, 1972 ; Silgado, 1978 ; Kanamori and McNally, 1982 ; Beck and Ruff, 1989 ; Dorbath et al., 1990 ; Barrientos, 2007 ; Perfettini et al., 2010 ; Bilek, 2010 ; Moreno et al., 2010 ; Delouis et al., 2010; Nocquet et al., 2016). La zone d'avant-arc Sud Equateur-Nord Pérou se développe à l'extrémité sud des Andes du Nord à la frontière entre l'Equateur et le Pérou. Cette zone longue de 500 km et large de 170 km en moyenne depuis l'arc magmatique de la Cordillère occidentale, à l'Est, jusqu'à la fosse de subduction, à l'Ouest, constitue un exemple-type de marge continentale active en relation avec la subduction de la lithosphère océanique Nazca sous la lithosphère continentale sud-américaine des Andes du Nord (Dewey et Bird, 1970 ; Silver et al., 1998 ; Graindorge et al., 2004 ; Sage et al., 2006 ; Gailler et al., 2007). Par ailleurs, la zone d'étude subit régulièrement les évènements climatiques extrêmes d'El Niño (e.g., 1998 et 2017) durant lesquels des pluies diluviennes s'abattent en particulier sur les régions côtières (Wells, 1987 ; Ortlieb et Macharé, 1993 ; Vuille et al., 2000). La structure du système d'avant-arc est caractérisé par une succession de sous-bassins en mer et à terre où évoluent du nord au sud, la géométrie de la subduction, la structure de la plaque continentale (terrains océaniques vs continentaux, faille décrochante crustale de Dolores-Guayaquil), et les processus d'érosion et de sédimentation. Les données de surface et de géophysique indiquent que la sédimentation dans l'avant-arc a été compartimentée dans plusieurs dépôts-centres majeurs d'âge Néogène à Quaternaire, distincts par des hauts structuraux compressifs à matériels ophiolitiques et/ou continental métamorphique et granitique (Shepherd and Moberly, 1981; Daly, 1989 ; Espurt et al., 2018). La zone d'étude est aussi caractérisée par la présence de trois fleuves majeurs (Rios Guayas, Tumbes et Chira) drainant les reliefs andins en direction du Pacifique. Ces derniers génèrent une incision majeure à terre, et un remplissage sédimentaire silico-clastique néogène à quaternaire considérable, piégé dans les bassins en mer et à terre, et pouvant dépasser les 4 km d'épaisseur (Shepherd and Moberly, 1981 ; Benitez, 1995 ; Séranne, 1987; Zúñiga-Rivero et al., 1998 ; Deniaud et al., 1999 ; Calahorrano, 2005 ; Witt et al., 2007 ; Peuzin, 2021). Le long de la marge, la sédimentation dans l'avant-arc diminue progressivement. A terre, l'avant-arc présente de nombreux dépôts et marqueurs quaternaires qui ont enregistré le soulèvement récent de la marge et probablement les variabilités climatiques (DeVries, 1988; Séranne, 1987; Pedoja et al., 2006; Darrioulat, 2011). Il existe de nombreuses terrasses marines (Tablazo) et fluviales, et des cônes alluviaux pliocènes et quaternaires perchées qui ont enregistré le soulèvement récent de la marge (DeVries, 1988; Séranne, 1987; Pedoja et al., 2006; Darrioulat, 2011). La cartographie et la datation de ces marqueurs permettront de valider un modèle structural d'évolution compatible avec le contexte tectonique et climatique de la région. Alors que de nombreuses données de sismiques et de forages sont disponibles et que de nombreux marqueurs géomorphologiques existent, peu de modèles structuraux récents et précis ont été proposés pour caractériser la géodynamique de cette zone. L'évolution structurale néogène à quaternaire de cette zone reste globalement peu étudiée à grande échelle et aucune étude n'intègre la totalité des structures terre-mer. Ce projet de thèse est axé sur la géodynamique du système d'avant-arc Sud Equateur-Nord Pérou durant la période Pliocène à Quaternaire. Il permettra de mieux cerner certaines problématiques scientifiques posées par les marges actives en couvrant un large spectre d'aspects disciplinaires fondamentaux, avec une finalité appliquée: - Quelle est l'architecture structurale 2D-3D de l'avant-arc ? - Comment ont évolué les forces tectoniques et gravitaires dans le temps et dans l'espace jusqu'à la déformation active ? - Existe-t-il une variabilité latérale des déformations dans l'avant-arc ? - Quel est l'influence de l'héritage structural et de la sédimentation syn-tectonique sur la propagation de la déformation ? - Comment intégrer la déformation long-terme pour une meilleure estimation de l'aléa sismique ?

Fore-arc systems are complex and active geologic zones, largely submarine, that develop over subduction zones, between the subduction trench and the volcanic arc (Dickinson and Seely, 1979; Dickinson, 1995). Several studies have shown that the dynamics of subduction (direction, speed, flexure), the subduction of asperities (roughness of the oceanic plate, ridges, seamounts), the amount of sediment in the trench and the fore-arc, the interseismic coupling along the megathrust, the tectonics of the upper plate and the history of the arc can exert a control on the structural style (accretion or erosion) and on the development of many systems of fore-arc (eg, Le Pichon et al., 1993; Lallemand et al., 1994; Dickinson, 1995; Von Huene and Lallemand, 1990; Clift and Vannucchi, 2004; Fuller et al., 2006; Takano et al., 2013; Martinod et al., 2016 ; Noda, 2016; Collot et al., 2017). Although fore-arc uplift seems closely linked to the dynamics of subduction, the mechanisms behind uplift and subsidence in fore-arc areas are still poorly understood (slab dip, thrusts, under-plating, basal erosion, subduction of asperities and/or ridges , etc.). The Andean margin is one of the most active subduction zones in the world, characterized by the largest earthquakes ever recorded (eg, Kelleher, 1972; Silgado, 1978; Kanamori and McNally, 1982; Beck and Ruff, 1989; Dorbath et al., 1990; Barrientos, 2007; Perfettini et al., 2010; Bilek, 2010; Moreno et al., 2010; Delouis et al., 2010; Nocquet et al., 2016). The Southern Ecuador-Northern Peru fore-arc area develops at the southern end of the northern Andes at the border between Ecuador and Peru. This 500 km-long and 170 km-wide zone from the magmatic arc of the Western Cordillera in the east to the subduction trench in the west is a typical example of an active continental margin, in relation to the subduction of the Nazca oceanic lithosphere under the South American continental lithosphere of the Northern Andes (Dewey and Bird, 1970; Silver et al., 1998; Graindorge et al., 2004; Sage et al., 2006; Gailler et al., 2007). In addition, the study area is regularly subjected to extreme climatic events of El Niño (eg, 1998 and 2017) with torrential rains fall, in particular on the coastal regions (Wells, 1987; Ortlieb and Macharé, 1993; Vuille et al., 2000). The structure of the fore-arc system is characterized by a succession of offshore and onshore sub-basins where the geometry of the subduction, the structure of the continental plate (oceanic vs. crustal of Dolores-Guayaquil and the processes of erosion and sedimentation evolve from north to south. Surface and geophysical data indicate that sedimentation in the fore-arc was concentrated in several major Neogene to Quaternary depocenters, separated by compressive structural highs composed of ophiolitic and / or continental metamorphic and granitic materials (Shepherd and Moberly, 1981; Daly, 1989; Espurt et al., 2018). The study area is also characterized by the presence of three major rivers (Rios Guayas, Tumbes and Chira) draining the Andean reliefs towards the Pacific. The latter generate a major incision on land, and a considerable Neogene to Quaternary silico-clastic sedimentary infilling, trapped in onshore and offshore basins, and which can exceed 4 km in thickness (Shepherd and Moberly, 1981; Benitez, 1995 ; Séranne, 1987; Zúñiga-Rivero et al., 1998; Deniaud et al., 1999; Calahorrano, 2005; Witt et al., 2007; Peuzin, 2021). Along-strike, sedimentation in the fore-arc gradually decreases. On land, the fore-arch presents numerous deposits and quaternary morpho-tectonic markers which have recorded the recent uplift of the margin and probably climatic variability (DeVries, 1988; Séranne, 1987; Pedoja et al., 2006; Darrioulat, 2011). There are numerous marine (Tablazo) and river terraces, and perched Pliocene and Quaternary alluvial fans that have recorded the recent uplift of the margin (DeVries, 1988; Séranne, 1987; Pedoja et al., 2006; Darrioulat, 2011). The mapping and dating of these markers will make it possible to validate a structural model of evolution compatible with the tectonic and climatic context of the region. While many seismic and drilling data are available and many geomorphological markers exist, few recent and precise structural models have been proposed to characterize the geodynamics of this area. The Neogene to Quaternary structural evolution of this area remains poorly studied on a large scale and no study integrates all the land-sea structures. This PhD project focuses on the geodynamics of the Southern Ecuador-Northern Peru fore-arc system during the Pliocene to Quaternary period. It will allow to better identify somes scientific issues raised by active margins by covering a wide spectrum of fundamental disciplinary aspects, with an applied purpose: - What is the 2D-3D structural architecture of the fore-arc? - How did the tectonic and gravitational stresses evolve in time and space until the active deformation? - Is there a lateral variability of deformations in the fore-arc? - What is the influence of structural inheritance and syn-tectonic sedimentation on the propagation of deformation? - How to integrate long-term deformation for a better assessment of the seismic hazard?