Surface processes impact on present-day deformation of Pyrenees and Western Alps
Impact des processus de surface sur la déformation actuelle des Pyrénées et des Alpes
Résumé
When the upper crust below the mountain ranges shows crustal extension with a direction collinear to the convergence direction, it is generally accepted that it is the result of gravitational collapse. However, recent studies challenge this paradigm by showing that erosion induces uplift and extension in the central part of the low convergent mountain ranges. In this study, we investigate the impact of denudation on the seismotectonic regime of mountain ranges.
In order to identify a relationship between seismotectonic regime and erosion, the first part of this work presents a compilation of data in the mountain ranges. Based on these observations, a simple kinematic model is proposed to predict the seismotectonic regime of the study ranges.
For low convergence rate and moderate mean elevation ranges, this model predicts an extension regime when the denudation rate is 15% higher than the convergence rate.
The second part is devoted to the development of thermomechanical 2D finite element models to study the impact of surface processes on the deformation of the Pyrenees. The results show that the isostatic response to erosion reactivates pre-existing structures. The kinematics of an inherited fault plane can be predicted due to the gradient of the horizontal surface velocity profile. Thus, a plane located in the eroded zone is reactivated in normal fault when near the border of the erosion area, this same plane is reactivated in reverse fault. These results suggest that the current deformation in the North Pyrenean Zone could be the result of surface processes.
Given the small number of studies quantifying erosion rates in the Pyrenees, the models developed in the second part suffer from high uncertainty. To remedy this, we study the central Pyrenees through a study that combines two types of data : watershed denudation rates from cosmogenic isotopes concentration, and incision rates from sediments buried in the karst. These results are presented in chapter 3. Denudation profiles obtained are consistent with reactivation of a normal fault plane located in the North Zone of the Central Pyrenees.
From our study in the Pyrenees, a good correlation appears between the value of the rate of erosion and the glacier occupation. Given that the glaciers where more developed in the Alps, it raises the question of the impact of the late-würmian deglaciation on the present deformation of this range. A numerical model detailing this relationship is presented in the fourth chapter. The
results show that deglaciation of the western Alps is controlled by the rheological heterogeneity of the crust. Some of our models predict uplift rates consistent with those highlighted by geodesy.
Lorsque l’extension de la croûte sous les parties hautes des chaînes de montagnes est colinéaire à la direction de convergence, il est traditionnellement admis que le moteur est l’effondrement gravitaire. Pourtant, des études récentes remettent en cause ce paradigme en montrant que l’érosion induit un soulèvement et de l’extension dans la partie centrale des chaînes de montagne à faible taux de convergence. L’objectif de notre étude est d’étudier l’impact de la dénudation de la topographie sur le régime sismo-tectonique des chaînes de montagnes.
La première partie de ce travail présente une compilation de données dans les chaînes de montagnes afin de dégager des relations entre régime sismo-tectonique et érosion. Sur la base de ces observations, un modèle cinématique simple permettant de prévoir le régime de la chaîne est proposé. Ainsi, pour les chaînes à faible taux de convergence et d’élévation moyenne, ce modèle
prédit de l’extension lorsque le taux de dénudation est 15% plus élevé que le taux de convergence.
La deuxième partie est consacrée au développement d’un modèle thermo-mécanique 2D en éléments finis pour étudier l’impact des processus de surface sur la déformation des Pyrénées.
Les résultats montrent que la réponse isostatique à l’érosion permet de réactiver des structures
pré-existantes. La cinématique d’un plan de faille hérité peut être prédite grâce au gradient du profil des vitesses de surface horizontales. Ainsi, un plan situé dans la zone d’érosion est réactivé en faille normale alors qu’en bordure de cette zone une faille est réactivée en régime inverse. Ces résultats suggèrent que la déformation actuelle des Pyrénées pourrait être la conséquence d’un
processus d’érosion.
Compte tenu du faible nombre d’études quantifiant les taux d’érosion dans les Pyrénées, les modèles développés dans la deuxième partie souffrent d’une forte incertitude. Pour y remédier, nous avons cherché à les quantifier dans les Pyrénées Centrales grâce à une étude qui combine deux types de données : taux de dénudation des bassins versants à partir des isotopes cosmogéniques, et vitesses d’incision à partir des sédiments piégés dans les karsts. Ces résultats sont
présentés dans la troisième partie. Les profils de dénudation obtenus sont compatibles avec un
rejeu en faille normale d’un plan situé dans la Zone Nord Pyrénéenne des Pyrénées Centrales.
Notre étude dans les Pyrénées, montre une bonne corrélation entre la valeur du taux d’érosion et la cartographie de l’occupation glaciaire. Les glaciers ayant été plus développés dans les Alpes, cela pose la question de l’impact de la déglaciation tardi-Wurmienne sur la déformation actuelle de cette chaîne. Un modèle numérique détaillant cette relation est présenté dans le quatrième chapitre. Les résultats montrent que la déglaciation des Alpes occidentales est contrôlée
par l’hétérogénéité rhéologique de la croute. Certains de nos modèles prédisent des vitesses de surrection compatibles avec celles mises en évidence par la géodésie.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)