Thèse présentée à l’Université de Paris-Sud
Pour l’obtention du grade de Docteur de l’Université de Paris-Sud
juin 2010
Discipline : Sciences de la Terre
Résumé
En Europe occidentale, l’interprétation des phases de dénudation à partir des données traces de fission sur cristaux d’apatite (TFA) est associée à des phases tectoniques importantes du socle durant le méso-cénozoïque. La reconstitution de la géodynamique et de l’évolution paléogéographique des massifs de Bohême et de l’Ardenne se place dans la compréhension des mécanismes de la propagation de la déformation dans l’avant-pays nord-alpin. Les épisodes de mouvements verticaux les plus superficiels de la lithosphère continentale ont été identifiés et replacés chronologiquement grâce à l’application des méthodes de traces de fission (TFA) et (U-Th)/He sur les cristaux d’apatite.
Pour le nord-ouest de l’Ardenne, les âges TFA déterminés sur des cinérites viséennes et des grès dévoniens (19 échantillons) sont compris entre 140±13 et 261±33 Ma, avec des longueurs de traces confinées entre 12±0,17 et 13,2±0,20 µm. Les âges (U-Th)/He (3 échantillons) varient entre 164±14 et 330±1 Ma. Pour la Bohême, les âges TFA déterminés sur les granites et gneiss d’âge Paléozoïque (66 échantillons) couvrent un intervalle plus large, compris entre 60±3 et 324±15 Ma et des longueurs de traces comprises entre 9,12±0,54 et 14,06±0,13 µm. Les âges (U-Th)/He (26 échantillons) varient entre 58±1 et 341±16 Ma. En s’appuyant sur des calages chronostratigraphiques contraints par la géologie régionale, des modélisations de l’histoire thermique à partir des données TFA et (U-Th)/He ont été réalisées avec les algorithmes AFTSolve® et HeFty®.
En Ardenne, l'exhumation post-varisque a eu lieu à partir du Trias. Cependant, il demeure difficile d'établir à quelle époque précise s’est produite la phase principale de dénudation en considérant la géologie. Une phase d’augmentation de la température au Crétacé supérieur est liée au dépôt d'environ 1000 m de craie, actuellement observable en reliques. Cet événement transgressif a été largement détecté en Europe occidentale. Une continuité de la sédimentation entre le bassin de Paris et le bassin Ouest néerlandais peut être évoqué. En Bohême, les âges TFA et (U-Th)/He montrent une distribution en ensembles cohérents qui coïncide avec des blocs structuraux. Un héritage de la structuration varisque commande l'histoire du soulèvement des différentes parties du domaine bohémien pendant les périodes du Crétacé inférieur, du Crétacé terminal-Paléogène et du Néogène. Les âges TFA et (U-Th)/He sont systématiquement plus jeunes vers les bordures externes du massif. Les bordures illustrent une chronologie de déformation du Jurassique au Néogène, tandis que le cœur du massif est marqué par une relative stabilité malgré les contraintes alpines. La conséquence d’une tectonique en blocs est une sédimentation méso-cénozoïque kilométrique non uniformément répartie, entrecoupée par une dénudation différentielle. L’influence sur les bordures méridionales et occidentales de la tectonique néoalpine et du bassin molassique nord-alpin est particulièrement marquée.
Les phases d’exhumations méso-cenozoïques sont liées à la réactivation des structures varisques (rift de la mer du Nord, ouverture de l'Atlantique nord, orogenèse alpine), mais aussi à la propagation du front de déformation alpin sur la marge européenne. L’histoire thermique post-varisque confirme qu’une couverture sédimentaire, d’âge jurassique, crétacé supérieur et néogène inférieur, a existé sur les massifs ardennais et bohémien, et que cette couverture a été discontinue et d’épaisseur inégale en raison de paléoreliefs (multiplicité des dépocentres). Le centre de ces massifs, relativement plus stable, a connu un recouvrement sédimentaire superficiel par rapport à leurs régions bordières. Au regard des résultats thermochronologiques basses températures de ce travail, des données multi-méthodes de la littérature ainsi que de la distribution des grands accidents tectoniques, la déformation de l’avant-pays alpin subit un style cassant plutôt que ductile. Dans le contexte tectonique des blocs structuraux du domaine bohémien et de l’Europe centrale, l’hypothèse d’un flambage de la lithosphère n’est pas le seul processus pour expliquer la propagation des déformations ainsi que la répartition des terrains exhumés.
Thermal history of the ardennian and bohemian massifs and consequences on the dynamics of western Europe in meso-cenozoic
Abstract
In Western Europe, the denudation phases inferred from apatite fission track data (AFT) are associated with major tectonic events that affected the basement during Meso-Cenozoic time. The geodynamic reconstruction and paleogeographic evolution of the Bohemian and Ardenne massifs is examined here in the context of crustal deformation and stress fields in the north Alpine foreland. Here, a chronology of vertical movements in the continental crust, which can be linked to the mechanisms of stress propagation across Europe, has been produced through an implementation of apatite fission track (AFT) and apatite (U-Th) /He methods.
For the north-west of the Ardenne massif, AFT ages determined on Visean cinerites and Devonian sandstones (19 samples) range between 140±13 and 261±33 Ma, with horizontal confined track lengths (HCTL) ranging between 12±0.17 and 13.2±0.20 µm. The (U-Th)/He ages (3 samples) vary between 164±14 and 330±1 Ma. For Bohemia, AFT ages determined on the Paleozoic granites and gneiss (66 samples) cover a broader interval with values between 60±3 and 324±15 Ma and HCTL between 9.12±0.54 and 14.06±0.13 µm. The (U-Th)/He ages (26 samples) vary between 58±1 and 341±16 Ma. Using chronostratigraphic criteria available from the regional geology, the thermal history modelings from AFT and (U-Th)/He data were carried out with the AFTSolve® and HeFty® software.
In the Ardenne, post-Variscan exhumation started in the Triassic. However, it remains difficult to establish from geological evidence alone at what exact time the main denudation phase occurred. A temperature increase during the Late Cretaceous is attributed to the deposition of approximately 1000 m of chalk, currently observable in the form of relics. This marine flooding event has been widely detected in Western Europe and was recorded in the northern part of the Ardenne massif. This evidence confirms that sedimentation was spatially continuous from the Paris Basin to the western Netherlands basin.
In Bohemia, AFT and (U-Th)/He data show a spatial distribution consistent with independently mapped structural blocks. Variscan structural inheritance has controlled the crustal deformation history of the various parts of Bohemia throughout the early Cretaceous, Cretaceous-Paleogene and Neogene periods. AFT and (U-Th)/He ages are systematically younger towards the periphery of the massif. The edges of the massif record a deformation chronology that occurred between the Jurassic and the Neogene, whereas its central part reveals comparative insensitivity to the effects of the Alpine collision. Based on the thermochronological data, the surface response to intermittent deformation in the form of fault-bounded structurals blocks appears to have been a ~10-km scale, nonuniform Meso-Cenozoic sedimentation pattern interspersed with periods of denudation of the more elevated palaeotopography. The southernmost and western edges of the Bohemian massif provide the clearest signal of a response to neoalpine tectonics, with thermal evidence for onlap followed by recent exhumation of the basement rocks from beneath the north-alpine foreland basin molasse cover.
The Meso-Cenozoic exhumation phases are connected with a reactivation of the Variscan structures (North Sea rift, North Atlantic opening, alpine orogeneny), but also with the propagation of the Alpine front towards the European margin. The post-Variscan thermal history confirms that a sedimentary cover of Jurassic, late Cretaceous and early Neogene age existed on the Ardenne and on the Bohemian massifs. This cover was discontinuous and of nonuniform thickness because of palaeorelief and of a multiplicity of local and probably migrating depocentres. The central parts of these massifs was comparatively more stable and suffered relatively shallower burial beneath the successive sedimentary cover rocks. Based on the low-temperature thermochronological results highlighted in this work, on other multiproxy data provided in the literature, as well as on the regional tectonic fracture pattern, we conclude that the response of this foreland region to Alpine collisional stress regimes has been of a brittle rather than of a ductile nature. The mechanical style of crustal deformations north of the Alpine foreland, and the corresponding pattern of rock exhumation histories, challenge the alternative hypothesis of long wavelength lithospheric buckling in response to the African indenter.
Les résultats thermochronologiques obtenus en Europe de l'Ouest, notamment dans le cadre de cette thèse, montrent que cette région s'est comportée de façon active face à la collision Europe – Afrique. Des déformations de faible ampleur (quelques centaines de mètres) mais à grande échelle sont enregistrées au Crétacé inférieur et à la fin du Crétacé supérieur. L'origine de ces déformations est reliée temporellement à la collision Afrique- Europe bien que les mécanismes de transfert des contraintes ne soient pas encore bien compris. La possibilité d'un flambage lithosphérique a été envisagée. Cependant, cela nécessiterait des contraintes très importantes et de grande longueur d'onde en contradiction avec les données de soulèvement acquises, notamment en périphérie du massif bohémien, où la géométrie du soulèvement se fait à courte longueur d'onde (les âges traces de fission varient significativement selon des distances inférieures à la dizaine de kilomètres). D'autres mécanismes doivent être envisagés. La confrontation des données de soulèvement et des modèles numériques de caractérisation de la lithosphère permettra d'apporter des réponses à ces problèmes. Il sera nécessaire pour faire cela de proposer un modèle thermique 3D permettant de modéliser les interactions entre la lithosphère et la surface. Ce modèle intégrera l'état thermique à l'échelle de la lithosphère avec l'évolution à proximité de la surface. La modélisation lithosphérique permet de déterminer avec plus de fiabilité le gradient thermique de fond sur lequel se base l'interprétation des données thermochronologiques. La modélisation proche-surface combine les taux de refroidissement obtenus avec différents traceurs et l'évolution thermique due à l'exhumation dans un modèle consistant. Des nouvelles données seront acquises dans ce cadre européen.
