CE49 - Planétologie, structure et histoire de la terre

Fonctionnement 3D des failles du sud-est Tibet, intégration données géologiques et géodésiques – Tibetan-Orchestra

L'orchestre tibétain

Comment s’orchestrent dans le temps et l’espace les chevauchements et les décrochements sur la bordure Est du plateau tibétain pour conduire à la formation du plateau ?

Interaction entre déformation horizontale permettant l’élargissement du plateau tibétain et déformation verticale permettant son épaississement

La chaîne himalayenne et le plateau du Tibet constituent le plus grand ensemble physiographique de haute altitude actuelle. Ces hautes altitudes résultent pour partie de la collision entre les continents Indien et Asiatique au Cénozoïque depuis environ 50 Millions d’années et de l’épaississement qu’elle a provoqué. Cependant malgré des décennies d’études, les modalités de l’épaississement du plateau restent débattues ainsi que l’importance de l’héritage de déformations antérieures. Notamment, le couplage entre déformation horizontale permettant l’élargissement latéral du plateau et déformation verticale qui, interagissant de manière complexe avec l’érosion, permet son épaississement est toujours mal compris. Les modèles proposés semblent difficilement réconciliables car basés sur des comportements de la croûte très différents. Des modèles basés sur la localisation des failles et la quantification des déformations de la croûte supérieure cassante proposent une propagation de l’épaississement vers le nord et vers l’est depuis le début de la collision, avec le branchement des chevauchements sur de grandes failles décrochantes qui propagent l’épaississement vers la périphérie du Plateau. D’autres modèles, essentiellement basés sur des observations géophysiques, proposent que le plateau s’étende vers sa périphérie en s’étalant au-dessus d’une croûte inférieure fluant sous les effets combinés de sa température élevée (et donc de sa faible viscosité), de la forte énergie potentielle au cœur du plateau et d’une érosion plus importante en périphérie. Dans ce cas les failles décrochantes ne sont pas enracinées en profondeur et accommodent passivement des mouvements différentiels de la croûte inférieure. <br />Pour avancer sur cette problématique nous proposons d’étudier un exemple emblématique d’interaction entre décrochement et chevauchement à des échelles de temps variées et en tenant compte de l’érosion, au SE du Tibet. A terme cette étude permettra de proposer un modèle numérique incluant le couplage décrochement/chevauchement et l’interaction croûte inférieure/croûte supérieure ce qui n’a jamais été réalisé jusqu’à présent.

observer, analyser et modéliser sur plusieurs échelles de temps : 1/ Méso-Cénozoique >10Ma), pour contraindre et modéliser l'épaississement à l’échelle régionale en utilisant les données thermochronologiques ; 2/ Holocène pour contraindre et modéliser la déformation intégrée sur plusieurs cycles sismiques en utilisant la paléosismicité lacustre ; 3/ actuelle en se basant sur les données interférométrique et GPS avec une haute résolution temporelle et une large couverture spatiale, qui permet de mesurer les déformations actuelles d’origine tectonique et hydrologique.

Le chevauchement de Muli au Sud-Est du plateau du Tibet est caractérisé par une marche topographique en surface d’environ 2000 mètres, avec plusieurs granites favorables aux études thermochronologiques, répartis sur une distance de ~50 km au toit de la faille. Nos résultats montrent un rajeunissement des âges vers la faille avec une exhumation des roches plus forte proche de la faille. Nous avons réalisé l’inversion de ces âges de différents thermochronomètres grâce à une modélisation thermo-cinématique en 3 dimensions, pour tester différents scénarios de refroidissement avec différentes structures crustales du chevauchement de Muli. Les modèles avec le plus faible écart entre les données et les âges modélisés montrent une faille abrupte (>70°) dans la croûte supérieure, cohérente avec nos observations de terrain, qui s'aplatit en profondeur (=20 km). L’exhumation le long du chevauchement est rapide (0,6 ± 0,08 km/Ma) depuis environ 12,5 Ma, après une phase plus lente (0,2 ± 0,06 km/Ma) débutée il y a 50 Ma. Cela induit depuis l’Eocene, une exhumation totale de roche le long de la faille d’environ 15 kilomètres, soulignant le rôle important des chevauchements dans l'épaississement de la croûte sud-est Tibétaine. Nos modèles ne permettent pas de contraindre la profondeur d’enracinement de la faille, étant donné que les données thermochronologiques reflètent l’évolution thermique de la croute supérieure seulement. Néanmoins, l’observation sur les images tomographiques régionales d’un saut de Moho d’environ 15 kilomètres au niveau du chevauchement de Muli suggère que ce chevauchement n’est pas seulement une structure dans la croute supérieure cassante, mais se prolonge dans la croute inférieure visqueuse sous la forme d’un cisaillement ductile. (Pitard et al., GRL, 2022).

Les données thermochronologiques acquise à la jonction entre les Longmen Shan et la faille de XianShui He montrent une exhumation récente a ~10 Ma cohérente avec le fonctionnement de la faille de Xian Shui He. Deux stades de déformation et de métamorphisme ont été clairement identifiés : D1 qui présente une schistosité S1 plissée par une déformation D2. Des filons granitiques s’infiltrent vraisemblablement pendant cette déformation D2.

L’analyse des séries temporelles InSAR effectuées montrent d’une part comment l’InSAR permet aujourd’hui d’obtenir des champs de déplacement référencés de façon quasi absolue (seul un ajustement minimal aux données GNSS est nécessaire) pour des études à l’échelle continentale. D’autre part, cette analyse permet de décorréler signaux tectoniques (chargement intersismique au travers des failles, déformation interne des blocs), modélisés au 1er ordre pour quantifier la cinématique des failles (modèles de blocs élastiques), et signaux non tectoniques saisonniers (hydrologiques, permafrost), qui prédominent dans les mouvements verticaux.

L’objectif de ce projet est de construire un modèle thermo-cinématique et à terme un modèle thermo-mécanique du SE du Plateau du Tibet où sont discutés les processus de formation du plateau, à plusieurs échelles de temps, Meso-Cénozoique, Mio-Pliocène, Holocène et actuelle, et avec une approche pluri-disciplinaire incluant les processus tectoniques et érosifs. Ainsi nous étudierons les mécanismes physiques contrôlant la stabilité et la localisation des systèmes de faille du SE Tibet (géométrie et vitesse) à plusieurs échelles de temps.

Pitard, P., A. Replumaz, M.-L. Chevalier, P.-H. Leloup, M. Bai*, M.-P. Doin, C. Thieulot, X. Ou*, M. Balvay, and H. Li, Exhumation History Along the Muli Thrust—Implication for Crustal Thickening Mechanism in Eastern Tibet, GRL, 48, doi: 10.1029/2021GL093677, 2021

Ou, X., A. Replumaz, P. van der Beek, Contrasting exhumation histories and relief development within the Three Rivers Region (Southeast Tibet), Solid Earth, doi: 10.5194/se-2020-172 (https://se.copernicus.org/articles/12/563/2021/)

En dépit de décades de controverses, notre compréhension de la formation du Plateau du Tibet reste limitée. Le rôle de plusieurs mécanismes imbriqués à l’échelle crustale ou lithosphérique, comme l’épaississement crustal distribué sur plusieurs chevauchements et la propagation latérale de ces chevauchements, est encore peu connue. En effet, étant donné la complexité des processus en 3D et leur évolution dans le temps, aucun modèle numérique prenant en compte le rôle des failles décrochantes pour accommoder la propagation par étapes des chevauchements, et aussi les interactions entre la croûte inférieure ductile et ces failles, n’a été réalisé. Ainsi, il reste très difficile de tester le comportement mécanique et rhéologique de la croute pour expliquer les observations tectoniques à la surface, et tester les différents modèles proposés pour la formation du Plateau.
Dans ce projet, nous avons étudiés la bordure Est du plateau du Tibet, ou le système de failles de Xianshuihe (XFS) est le plus actif sismiquement au Tibet pour les périodes instrumentale et historique. Depuis ~9 Ma, ce système de failles décrochant a décalé horizontalement les chevauchements qui ont épaissit la bordure Est du Plateau, la ceinture de chevauchements des Longmenshan (LMTB) au Nord-Est et celle de la Yalong (YTB) au Sud-Ouest. Ce réseau régional complexe de chevauchement et de failles décrochantes évoluant au cours de la collision, est la région idéale pour trouver les clefs de cette orchestration entre la propagation latérale de ces chevauchements et l’épaississement crustal du plateau engendré au cours du temps.
Le but de ce projet est d’observer et de quantifier les évènements majeurs de la déformation du SE Tibet en étudiant la causalité entre l’activation des chevauchements et des failles décrochantes. Nous modéliserons les observations géologiques et géodésiques avec de nouveaux outils numériques pour établir de nouvelles contraintes quantitatives sur la formation et l’évolution du Plateau Tibétain, sur plusieurs échelles de temps, l’échelle géologique (1 à 100 Ma, Task 1) en utilisant les études structurales de terrain, la pétrologie, la géochronologie et la thermo-chronologie pour quantifier les mécanismes d’épaississement jusqu’à l’épaisseur actuel du Plateau, ~65 km; l’échelle du cycle sismique (1 à 10.000 ans, Task 2) pour contraindre la déformation actuelle en utilisant les données GPS et InSAR, la paléo-sismicité lacustre, et les modèles visco-élastiques; l’échelle de temps intermédiaire entre la géologie et la géodésie (10 000 ans à 1 Ma, Task 3) pour établir des modèles schématiques visqueux ou visco-plastique en 2D des chevauchements crustaux pour étudier leur activation dans le temps, et l’influence de l’érosion. Ces modélisations sur cette échelle de temps intermédiaire représentent le plus ambitieux défi de ce projet, scientifique et technique, pour inclure la localisation de la déformation sur des failles dans la construction du Plateau Tibétain.
Le principal outil de communication du sujet et des résultats de ce projet pour différents publics sera un site web. Les résultats les plus attrayants visuellement, comme les modèles 3D et 4D, les challenges rencontrés, en particulier sur le terrain, seront partagés pour un public scientifique mais aussi avec le grand public à travers les plateformes des médias sociaux et les événements scientifiques nationaux et européens. A la fin du projet, nous prévoyons d’organiser une exposition temporaire sur ce sujet attractif pour le grand public, la formation du Plateau Tibétain, au nouveau musée scientifique de Grenoble “les Moulins de Villancourt”.

Coordination du projet

Anne Replumaz (Institut des Sciences de la Terre)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ISTERRE Institut des Sciences de la Terre
LGL-TPE Laboratoire de géologie de Lyon : Terre, planètes et environnement

Aide de l'ANR 162 255 euros
Début et durée du projet scientifique : novembre 2020 - 36 Mois

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