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Interactions between tectonics and surface processes in the Alpine foreland : insights from analogue model and analysis of recent faulting

Université de Fribourg

    02.02.2007

189 p

Thèse de doctorat: Université de Fribourg, 2007

English French German To study the dynamics of an orogen-foreland system and more particularly the impact of surface processes on its development, we base our work on two main axes. In a first part, using analogue tapered wedge models, we investigate the interplay between tectonics, erosion and sedimentation during the orogenic growth. The basis model mimics the evolution of a wedge section extending from the orogen to its foreland basin, with both the structural and the lithological heritages simulated. In a second part, the focus is on the recent tectonic and geomorphologic processes affecting the Swiss Prealpes klippen belt and surrounding structural units (Molasse Basin and Jura fold-and-thrust belt). Remote sensing analyses allow to evaluate the impact of tectonics on the drainage pattern and landscape morphology. In addition, local field investigations in the Prealpes provide information on the nature and kinematic of brittle fractures and the paleostress fields. The series of seventeen analogue model experiments is based on a section across the north-western Alpine wedge and foreland basin. This type of analogue model obeys to the dynamics of a tapered wedge and the structures produced are determined by the wedge mechanics. The orogen grows by incremental step of shortening, while outside processes such as erosion and sedimentation may influence the criticality of the taper. This is the case in the last six experiments, where erosion and sedimentation are manually performed in varying rates. These experiments are studied in detail and allowed to investigate and quantify: sediment budget, dynamics and timing of development of the orogen and adjacent foreland basin, uplift paths of particles, etc. The experiments show that two main mechanisms control the orogenic growth: frontal accretion and underplating. In the foreland basin, frontal accretion leads to the development of a foreland thrust belt, while in the hinterland, simple underthrusting and subsequent underplating lead to the formation of an antiformal nappe stack. The foreland basin evolution is mainly towards the front of the orogenic wedge but it differs depending on the amounts of erosion/sedimentation. Its evolution and internal structuring are governed by the wedge mechanics, thought to be the main controlling mechanism in a feedback interaction with surface processes. The basin grows to a threshold width and remains more or less constant during the subsequent evolution. This is possible because some older formed fold-and-thrust units are being eroded out of the record in the trailing part of the basin, while new units grow in its frontal part. During the development of the foreland fold-and-thrust belt, we observe the erosion of entire thrust units of freshly sedimented materials. As these types of events are untraceable in the tectonic and sedimentary record, this process leads to underestimating total shortening obtained from balancing remaining units only. Our analogue models show the importance of feedback mechanisms of erosion/deposition on the wedge mechanics and the punctuated thrust development, as well as the cyclic behavior of surface processes. The variations in rates of erosion and sedimentation strongly modify the extent, the morphology, and the structure of the constitutive units. The timing of development and the material paths also differ depending on the rates of surface processes in the different models. It appears for instance that particles located in the converging lower plate or in the upper plate show very complex uplift paths related to the different tectonic stages. The correlation between models and Alpine tectonic cross-sections emphasises the role of erosion and sedimentation on the dynamics and development of the orogen and adjacent Molasse Basin. Along strike changes in the geometry of the orogen can be explained by differences in surface processes. In addition, the main stages in evolution of the foreland basin and hinterland observed on the analogue models can be correlated in time and space with the major tectonosedimentary events of the Alpine belt. These stages of evolution are for instance corroborated by the nature of pebbles in the Alpine domain which coincide with the Alpine orogenic evolution and timing. Finally, we suggest that flexural basin evolution mechanisms are secondary in the case of the Swiss Alpine Molasse Basin and that the first order basin evolution is governed by the internal mechanics of a tapered wedge type model. The Prealpes klippen are constituted by a series of allochthonous tectonic klippen located along the northern front of the Swiss and French Alps. Their emplacement onto the Alpine foreland took place in the Early Oligocene (30 Ma). The fracture pattern in the klippen is complex since it is the final result of fold-and-thrust activity, neotectonics and certainly recent tectonics (post-nappe emplacement). To investigate the nature and kinematics of observed fractures in the Prealpes, we performed several types of analyses. We first used remote sensing to determine the orientations of analysed structures. A morphological study of the area located between the klippen and the Molasse Plateau suggests that the hydrographic network mainly follows both glacial and structural trends. We then analysed locally the fracture and lineament orientations in three study areas located in the Swiss Chablais and in the Western Prealpes Romandes. Among different deformational models applicable to fault systems, the Riedel shear system appears to explain best the variety of obtained fault directions. In the same three study areas, we investigated in the field the movement on fault planes in order to obtain paleostress orientations. The following chronology is suggested to explain the different deformational structures observed in the Chablais and Western Romandes Prealpes: initial layer parallel shortening, is followed by folding and thrusting with synfolding axial parallel extension generating extensional veins perpendicular to fold axis. Post-folding, local strike-slip components of faults may be observed as well as strike-slip movement reorienting the previously formed vein sets. Finally, during the last stage of deformation, largescale faults develop, cross-cutting the existing fold-and-thrust structures. To interpret the local stress fields, while integrating the results from the different datasets, we propose a more regional deformational model that extends from the Prealpes, through the Molasse Plateau to the Jura. The local Riedel shear zones may be combined in a general transcurrent model for the Alpine foreland. In addition, we suggest that the bulk of the brittle deformation in this transcurrent regime is recent and possibly has developed in a tectonic regime coincident with the present day stress field. Afin d’étudier la dynamique d’un système orogène/avant-pays et plus particulièrement l’impact des processus de surface sur son développement, notre travail repose sur deux axes principaux. Dans une première partie, à l’aide de modèles analogiques de prisme d’accrétion, nous analysons les interactions entre la tectonique, l’érosion et la sédimentation au cours de la croissance de l’orogène. Le modèle de base reproduit l’évolution d’une section de prisme, qui s’étend de l’orogène au bassin d’avant-pays, et où les héritages à la fois structural et lithologique sont simulés. Dans une seconde partie, l’accent est mis sur la tectonique récente et les processus géomorphologiques qui affectent la klippe des Préalpes suisses et les unités structurales environnantes (le bassin molassique et le Jura). Des analyses de télédétection permettent d’évaluer l’influence de la tectonique sur le réseau de drainage et la morphologie du paysage. De plus, des analyses de terrain menées localement dans les Préalpes fournissent des informations sur la nature et la cinématique des fractures cassantes et des champs de paléocontraintes. Les dix-sept expériences de la série de modélisation analogique se basent sur une coupe à travers la partie nord-ouest du prisme alpin et de son bassin d’avant-pays. Ce type de modèle analogique obéit à la dynamique d’un prisme d’accrétion et les structures développées sont déterminées par la mécanique du prisme. L’orogène croît par incréments de raccourcissement tandis que les processus extérieurs tels que l’érosion et la sédimentation peuvent modifier la pente critique du prisme. C’est le cas dans les six dernières expériences où l’érosion et la sédimentation sont réalisées manuellement, à des taux variables. Ces expériences sont étudiées en détails et permettent d’analyser et de quantifier: le budget sédimentaire, la dynamique et le timing de développement de l’orogène et du bassin d’avant-pays adjacent, les trajets de soulèvement de particules, etc. Les expériences révèlent que deux mécanismes principaux contrôlent la croissance orogénique: l’accrétion frontale et le sous-placage. Dans le bassin d’avant-pays, l’accrétion frontale conduit au développement d’une chaîne chevauchante d’avant-pays tandis que dans l’arrière-pays, le chevauchement simple et le sous-placage consécutif mènent à la formation d’un empilement antiforme de nappes. L’évolution du bassin d’avant-pays s’effectue principalement vers le front du prisme orogénique mais elle varie en fonction des taux d’érosion et de sédimentation. Son évolution et sa structuration interne sont gouvernées par la mécanique du prisme, considérée comme étant le principal mécanisme de contrôle en lien avec les processus de surface. Le bassin se développe jusqu’à atteindre une largeur seuil puis il conserve une largeur plus ou moins constante pendant la suite de son évolution. Ceci est possible grâce au fait que d’anciennes unités plissées et chevauchantes sont érodées hors de l’enregistrement sédimentaire dans la zone interne du bassin tandis que de nouvelles unités apparaissent dans sa partie frontale. Au cours du développement de la chaîne plissée chevauchante d’avant-pays, nous observons l’érosion d’unités entières de matériel récemment sédimenté. Comme ce type d’évènement ne laisse aucune trace dans l’enregistrement tectonique et sédimentaire, ce processus conduit à sous-estimer le raccourcissement total calculé uniquement à partir des unités équilibrées restantes. Nos modèles analogiques montrent l’importance de la réponse des mécanismes d’érosion et de sédimentation sur la mécanique du prisme, ainsi que le développement ponctué des chevauchements tout autant que le comportement cyclique des processus de surface. Les variations des taux d’érosion et de sédimentation modifient fortement l’étendue, la morphologie et la structure des unités constitutives. Le timing de développement et les trajectoires de matière diffèrent également selon les taux des processus de surface dans les différents modèles. Il apparaît par exemple que des particules situées dans la plaque inférieure qui converge, ou dans la plaque supérieure, suivent des trajectoires de soulèvement très complexes liées aux différents stades tectoniques. La corrélation entre les modèles et des coupes tectoniques des Alpes fait ressortir le rôle de l’érosion et de la sédimentation sur la dynamique et le développement de l’orogène et du bassin molassique adjacent. Le long de l’axe, des changements dans la géométrie de l’orogène peuvent être expliqués par des différences dans les taux des processus de surface. De plus, les principaux stades d’évolution du bassin d’avant-pays ainsi que l’arrière-pays, que l’on observe dans les modèles analogiques, peuvent être corrélés dans le temps et l’espace avec les événements tectonosédimentaires majeurs de la chaîne alpine. Ces stades d’évolution sont par exemple corroborés par la nature des galets dans le domaine alpin et ils coïncident avec l’évolution et le timing de l’orogène alpin. Pour finir, nous suggérons que les mécanismes flexuraux d’évolution du bassin sont secondaires dans le cas du bassin molassique alpin en Suisse et que l’évolution de premier ordre du bassin est gouvernée par les mécanismes internes d’un modèle de type prisme d’accrétion. Les Préalpes sont formées par une série de nappes tectoniques allochtones situées le long du front nord des Alpes suisses et françaises. Leur mise en place sur l’avant-pays alpin a eu lieu à l’Oligocène inférieur (30 Ma). Le réseau de fractures dans la klippe est complexe puisqu’il est le résultat final de l’activité de plissement et chevauchement, de la néotectonique et certainement de la tectonique récente (post mise en place de la nappe). Afin d’étudier la nature et la cinématique des fractures observées dans les Préalpes, nous avons réalisé plusieurs types d’analyses. Nous avons dans un premier temps déterminé les orientations des structures analysées, à l’aide d’outils de télédétection. Une étude morphologique faite sur la zone située entre la klippe et le plateau molassique suggère que le réseau hydrographique suit principalement les orientations héritées d’origines glaciaire et structurale. Nous avons ensuite analysé localement les orientations des fractures et des linéaments dans trois zones d’étude situées dans le Chablais suisse et dans les Préalpes Romandes occidentales. Parmi les différents modèles de déformation applicables aux systèmes de failles, le modèle de cisaillement de Riedel semble expliquer au mieux la variété des directions de failles obtenues. Dans ces trois zones d’étude, nous avons analysé sur le terrain les mouvements sur les plans de faille afin d’en déduire les orientations des paléocontraintes. La chronologie suivante est proposée pour expliquer les différentes structures de déformation observées dans le Chablais et dans les Préalpes Romandes occidentales: après un raccourcissement initial parallèle aux couches, on a du plissement et du chevauchement auxquels s’associe de l’extension synchrone, parallèle à l’axe de plissement, qui génère des veines d’extension perpendiculaires à l’axe des plis. Localement, des composantes décrochantes post-plissement sont observées sur les failles, ainsi que des mouvements décrochants réorientant les ensembles de veines précédemment formées. Enfin, durant le dernier stade de déformation, des failles à grande échelle se développent, recoupant les structures plissées et chevauchantes existantes. Afi n d’interpréter les champs de contraintes locaux, tout en intégrant les résultats des différents ensembles de données, nous proposons un modèle de déformation plus régional, qui s’étend des Préalpes, à travers le plateau molassique, jusqu’au Jura. Les zones de cisaillement de Riedel locales peuvent être combinées dans un modèle général transcurrent pour l’avant-pays alpin. De plus, nous suggérons que la plupart de la déformation fragile dans ce régime transcurrent est récente et qu’elle a même pu se développer dans un régime tectonique coïncidant avec le champ de contraintes actuel. Um die Dynamik eines Gebirgsvorland-Systems und insbesondere den Einfluss von Oberflächenprozessen auf dessen Entstehung zu studieren, haben wir unsere Arbeit auf zwei Hauptteile ausgerichtet. In einem ersten Teil verwenden wir analoge keilförmige Modelle (Akkretionskeile) um das Wechselspiel zwischen Tektonik, Erosion und Sedimentation während des Orogen-Wachstums zu ermitteln. Das Basismodel ahmt die Evolution der sich vom Gebirge ins Vorlandbecken erstreckenden Keilsektion nach, wobei die strukturellen und lithologischen Eigenschaften simuliert werden. In einem zweiten Teil wird auf die rezenten tektonischen und geomorphologischen Prozesse fokussiert, welche die Schweizer Voralpen-Klippen und umgebende Struktureinheiten (Molassebecken und Jurafaltengebirge) beeinträchtigen. Fernerkundungsanalysen erlauben die Evaluation des Einflusses der Tektonik auf Flussnetzwerk und Landschaftsmorphologie. Zusätzlich liefern lokale Feldbeobachtungen in den Voralpen Informationen über die Art und Kinematik von Sprödbrüchen und Paläospannungsfeldern. Eine Serie von 17 Experimenten zur Analogmodellierung basiert auf einem Querschnitt durch den nordwest-alpinen Keil und das Vorlandbecken. Diese Art von Analogmodellierung gehorcht der Dynamik eines Überschiebungskeils, dessen Zuschnitt durch die internen Mechanismen bestimmt wird. Das Orogen wächst stufenweise durch Verkürzung, wobei externe Prozesse wie Erosion und Sedimentation die Stabilität des Orogenkeils möglicherweise beeinflussen. Dies ist jeweils der Fall in den letzten 6 Experimenten, wo die Erosion und Sedimentation manuell in verschiedenen Mengen durchgeführt wurde. Diese Experimente werden im Detail studiert und erlauben die Untersuchung und Quantifizierung des Sedimentbudgets, der Dynamik und des zeitlichen Verlaufes der Entwicklung des Gebirges und angrenzenden Vorlandbeckens, Sockelimbrikationen, usw. Die Experimente zeigen, dass zwei Hauptmechanismen das Gebirgswachstum kontrollieren: Frontal-Akkretion und Überschiebung. Im Vorlandbecken führt die Frontal-Akkretion zur Bildung eines Vorland Faltengebirges, während im Hinterland einfache underthrusting und anschliessendes underplating zur Bildung von antiformalen Decken führen. Die Evolution des Vorlandbeckens erfolgt hauptsächlich in Richtung der Front des Gebirgskeils, ändert sich aber in Abhängigkeit des Verhältnisses von Erosion zu Sedimentation. Die Evolution und interne Struktur wird gesteuert durch die Keilmechanik, welche vermutlich der Hauptkontrollmechanismus in einer rückgekoppelten Wechselwirkung mit Oberflächenprozessen ist. Das Becken bildet sich bis zu einem gewissen Grenzwert und bleibt dann mehr oder weniger konstant während der anschliessenden Entwicklung. Dies ist möglich, weil einige ältere tektonische Einheiten aus dem weiter zurückliegenden Becken erodiert wurden und neue Einheiten im vorderen Teil gewachsen sind. Während der Entwicklung des Vorlandes beobachtet man die Entwicklung neuer, frisch sedimentierter Überschiebungseinheiten. Da diese Art von Ereignissen weder durch tektonische noch sedimentäre Aufzeichnungen verfolgbar sind, führt dieser Prozess zu einer Unterschätzung der totalen Verkürzung, welche durch das ausgeglichene Profi le erzielt wurde. Unser Analogmodell zeigt die Wichtigkeit des Rückkopplungsmechanismus von Erosion/Ablagerung auf den Akkretionskeilmechanismus und punktueller Entwicklung von Überschiebungen, sowie das zyklische Verhalten der Oberflächenprozesse auf. Die Variation der Erosions- und Sedimentationsmenge beeinflussen nachhaltig die Ausdehnung, die Morphologie und die interne Struktur der wichtigsten Einheiten. Der zeitliche Ablauf der Entwicklung und des Materialweges sind ebenfalls abhängig von der Intensität der angewendeten Oberflächenprozesse in den verschiedenen Modellen. So weisen zum Beispiel Teilchen auf der sich nähernden Platte, oder in der oberen Platte, sehr komplexe Aufstiegswege bezüglich verschiedener tektonischer Stadien auf. Die Übereinstimmung zwischen Modellen und tektonischen Querprofilen der Alpen betonen den Einfluss von Erosion und Sedimentation auf die Dynamik und Entstehung von Gebirgen und deren angrenzenden Molassebecken. Veränderungen in der Geometrie entlang der Achse des Gebirges kann durch Unterschiede der Oberflächenprozesse erklärt werden. Zusätzlich können die im Modell beobachteten Hauptstadien der Evolution des Vorlandbeckens und des Hinterlandes mit den tektonisch-sedimentären Ereignissen der Alpen in Raum und Zeit korreliert werden. Diese Stadien der Evolution werden bestätigt durch die Natur der Gerölle im Alpengebiet, welche sowohl mit der alpinen Gebirgsbildung als auch mit deren zeitlichen Ablauf übereinstimmen. Schliesslich können wir behaupten, dass der gebogene Beckenevolutionsmechanismus im Fall des alpinen Molassebeckens der Schweiz nur sekundärer Natur ist, und dass die Beckenevolution eher bestimmt wird durch die internen Mechanismen des Akkretionskeils. Die Voralpen-Klippen setzen sich zusammen aus Serien von allochthonen tektonischen Klippen, welche sich längs der nördlichen Front der Schweizer und Französischen Alpen erstrecken. Die Platznahme auf dem alpinen Vorland fand im frühen Oligozän (30 Ma) statt. Das Bruchmuster der Klippen ist komplex, da es sich um endgültige Faltungs- und Überschiebungsmechanismen, Neotektonik und mit Sicherheit auch um rezente Tektonik handelt. Um die Eigenschaften und Kinematik der beobachteten Brüche in den Voralpen zu untersuchen, führten wir mehrere Arten von Analysen durch. Fernerkundungen dienten in einem ersten Schritt zur Bestimmung der Orientierung der analysierten Strukturen. Morphologische Untersuchungen des Gebietes zwischen den Klippen und dem Molassebecken deuten darauf hin, dass das hydrographische Netzwerk hauptsächlich glazialen und strukturellen Richtungen folgt. In einem zweiten Schritt wurden dann die lokalen Bruch- und Lineationsrichtungen in drei verschiedenen Gebieten (Chablais und westliche Voralpen (Vanil Noir, Dent-de-Lys) analysiert. Unter verschiedenster Deformationsmodellen, welche auf Bruchsysteme angewendet werden können, scheint das Riedel Schersystem am besten die Vielfalt der gemessenen Bruchrichtungen zu beschreiben. In den Selben drei verschiedenen Gebieten wurden im Feld die Bewegungen an den Verwerfungsebenen untersucht um Paleostressorientierungen zu erhalten. Folgende zeitliche Abfolge könnte die verschiedenen beobachteten Deformationsstrukturen im Chablais Gebiet sowie in den westlichen Voralpen erklären: Eine anfängliche parallele Schichtverkürzung wird gefolgt von Faltung und Überschiebungen mit achsenparalleler Extension, was zu Dehnungsvenen senkrecht zur Faltenachse führt. Post-Faltungen (=Nachfaltung) und lokale Blattverschiebungen können beobachtet werden, sowie Scherbruch-Verschiebungen, welche zu einer Neuorientierung der zuvor geformten Venen führt. Schliesslich entstehen in einer letzten Phase der Deformation riesige Verwerfungen, welche die bereits bestehenden Faltungs- und Überschiebungsstrukturen durchqueren. Um diese lokalen Stressfelder zu interpretieren, schlagen wir ein regionaleres Deformationsmodell vor, welches nebst den Voralpen auch noch das Molassebecken und den Jura mit einbezieht, wobei wir zusätzlich noch die Resultate von verschiedenen Datenbanken verwenden. Die lokalen Riedel- Scherzonen können kombiniert werden in einem allgemeinen transcurrent Bruchmodell für das alpine Vorland. Zusätzlich nehmen wir an, dass der Grossteil der Spröddeformationen in diesem transcurrent Bruchsystem rezent sind, und sich möglicherweise in einem tektonischen System entwickelt haben, welches mit dem heutigen Stressfeld übereinstimmt.
Faculty
Faculté des sciences et de médecine
Department
Département de Géosciences
Language
  • English
Classification
Geology
Notes
  • Ressource en ligne consultée le 25.04.2007
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