Sédiments et reliefs du front des systèmes chevauchants : modélisation et exemples du front andin et des Siwalik (Himalaya) à l'Holocène .
Résumé
Fold and thrust belts are characterised by tectonic activity, erosion and sedimentation which act simultaneously to create relief and syntectonic basins. The aim of this work is a better understanding and quantifying of those three phenomena control on 1) Reliefs morphology; 2) sedimentation localisation and kind of deposits; 3) tectonic activity localisation. To reach this aim, I developed a numerical model involving a simulation of the growing of fault propagation folds coupled with a diffusion law simulating superficial processes (erosion/sedimentation). It is presented in the first part of the work. It allows to study erosion and sedimentation distribution according to tectonic activity and to relations between folding and thrusting. The use of this numerical model also allows to analyse tbrust belts evolution. It use in the case of the Subandean zone of Bolivia shows that 1) the fold and thrust belt evolution and the development of the large piggy-back basins are controlled by the geometry of the initial sedimentary wedge and by the geometry of the basal decollement; 2) Superficial transports that allow the formation of wide basins influence deformation localisation by controlling the surface geometry of the wedge. ln the second part of tbis work, I applied this new methodology to the Siwalik foothills in Western Nepal. ln this area where the tbrust system is known better and better as numerous field works have been done, wide piggy-back basins are developing with an unequal distribution. Modellisations show that the dip of the basal decollement is the major parameter that determines the development of those basins. A steep basal decollement, which is coupled with thick tbrust sheets, favours the development of piggy-back basins. In the opposite case, that is a gentle dip of the basal decollement with thin tbrust sheets, the steep surface slope favours erosion and out-of sequence reactivations. Those results have been confirmed by balanced cross sections realised through the Siwalik wedge of western Nepal. Actually those sections show that piggy-back basins are weIl developed when the wedge is made of thick thrust sheets (5500 m), while when the thrust system is thinner (4000 m) out of sequence reactivations of an internaI thrust are observed. Modellisations also show that the lateral development of frontal fault propagation folds controls the syncline and the internai ridge morphologies. It is confirmed by a morpho structural study which bring out that the frontal structure in Siwalik, is composed of short segments which relay, and that the system morphology is controlled by those relays. ln Siwalik of west Nepal, there is a seismic gap, where instantaneous velocities are weak (2-7 mm/yr). The study of abandonment of alluvial terraces in syntectonic basins shows that 1) the Holocene infill in Deukhury valley depends on the tectonic activity localised along thrusts neighbouring the basin and forming tectonic dams; 2) the recording of climatic changes is masked by the importance of the tectonic activity; 3) uplift velocities of those terraces deduced from CI 4 dating, allow to calculate mean shortening velocities around 15-20 mm/yr during the Holocene period; 4) there is numerous out-of sequence reactivations, locaiised along an intermediate thrust named MDT. Weak actual velocities deduced from GPS measurements do not represent tectonic activity of this part of the Himalayan chain during long periods. Difference between actual velocities and mean velocities recorded in this Nepalese area, suggests a momentary slow down in which is in accord with an interseismic period of a seismic cycle. The present day would then be . Periods of tectonic quiescence could alternate with period with intense tectonic activity. Alternation of localisation of shortening along the frontal structure or along more internai thrusts would follow a cycle of several thousand years. One step of this cycle would be characterised by all the shortening localised along the frontal structure, the other step would be characterised by a shortening equally distributed between the frontal structure and an internai thrust.
Dans les systèmes chevauchants la tectonique, l'érosion et la sédimentation interagissent pour créer des reliefs et des bassins syntectoniques. Le but de ce travail est d'aider à mieux comprendre et quantifier le contrôle exercé par ces trois phénomènes sur 1) la morphologie des reliefs; 2) la localisation des dépôts sédimentaires et les types de dépôt; 3) la localisation de la déformation. Dans ce but, et dans la première partie de mon travail, j'ai procédé au développement d'un modèle numérique comportant une simulation de la croissance incrémentale des plis par propagation de faille, couplée à une loi de diffusion rendant compte des transports superficiels (érosion et sédimentation). Ceci permet d'étudier la répartition de l'érosion et de la sédimentation en fonction de l'activité tectonique et des relations entre plissement/chevauchement. La mise en oeuvre des modélisations permet aussi une analyse de l'évolution des systèmes chevauchants. L'application à l'exemple du Subandin de Bolivie, montre que 1) L'évolution du prisme tectonique et la formation des grands bassins sont pour une grande part contrôlées par la géométrie du prisme initial ainsi que par celle du plan de décollement régional; 2) Les phénomènes superficiels qui permettent la formation de vastes bassins syntectoniques influencent la localisation de la déformation, en contrôlant la géométrie de la surface du prisme. Dans la seconde partie de ce travail la méthodologie mise au point, est appliquée aux Siwalik de l'Ouest Népal. Dans cette région, où le système chevauchant est de mieux en mieux contraint par des études de terrain, on observe également de vastes bassins transportés inégalement répartis sur la zone d'étude. Les modélisations montrent que le paramètre contrôlant au premier ordre le développement des bassins transportés est le pendage du plan de décollement. Un fort pendage du plan de décollement, qui induit une forte épaisseur des écailles tectoniques, favorise l'apparition de vastes bassins transportés. Dans le cas contraire, où le pendage du plan de décollement est faible, la forte pente de surface du prisme favorise l'érosion et les réactivations hors séquence. Ces résultats sont confirmés grâce aux coupes équilibrées effectuées dans l'Ouest Népal qui montrent que les bassins transportés se développent au-dessus d'un prisme tectonique épais (5500 m), alors que là où le système tectonique, incorporant des écailles, n'est plus épais que de 4000 m, on observe des réactivations d'un chevauchement interne. Les modélisations montrent , aussi, que le développement latéral des structures frontales par le biais de plis par propagation de faille, contrôle les morphologies du synclinal et du crêt situes en position interne. Ceci est confirmé par une étude morphostructurale qui montre que la structure frontale est constituée de tronçons assez courts qui se relaient et que la sédimentation et la morphologie du système sont contrôlés par ces relais. Dans les Siwalik de l'Ouest Népal, existe une lacune de sismicité, et les vitesses de raccourcissement instantanées sont faibles (2-7 mm/an). L'étude des terrasses alluviales des bassins syntectoniques, montre 1) que le remplissage holocène du Dun de Deukhury est largement dépendant de la localisation de l'activité tectonique le long des chevauchements limitant ces bassins, et formant des "barrages tectoniques"; 2) que l'enregistrement des variations climatiques est masqué par l'importance des phénomènes tectoniques; 3) que les vitesses de surrection de ces terrasses alluviales, déduites de datations au C14, permettent de calculer des vitesses moyennes de raccourcissement de l'ordre de 15 à 20 mm/an pour la période holocène; 4) qu'il existe de nombreuses réactivations hors séquence, se localisant le long d'un chevauchement intermédiaire, le MDT. Les faibles déformations actuelles déduites de mesures GPS ne sont donc pas représentatives de la déformation de cette partie de la chaîne himalayenne sur une longue période. Ces différences de vitesses entre déformations actuelles et déformations moyennes telles qu'elles sont enregistrées dans cette partie du Népal, témoignent d'un rallentissement momentané de la déformation qui pourrait être en accord avec une période intersismique d'un cycle sismique. Des périodes de relatif calme tectonique comme la période actuelle pourraient être suivies de période où l'activité tectonique est plus intense (le futur proche?). L'alternance de la localisation du raccourcissement le long des structures chevauchantes, frontales ou en position plus interne, suivrait un cycle de quelques milliers d'années. Une étape du cycle serait caractérisée par une activité tectonique concentrée sur le chevauchement frontal; une autre étape verrait l'activité tectonique se répartir équitablement entre la structurefrontale et un chevauchement en position interne.