Thèse soutenue par Richard Spitz, le 3 décembre 2019, Institut des sciences de la Terre (ISTE)
Les ceintures de nappes de plis et de charriage sont des structures caractéristiques communes qui se forment en réponse aux processus de formation des chaînes de montagne. Elles ont été étudiées par des géologues pendant au moins un siècle dans le but de comprendre leur style structural, leur évolution tectonique, leur dynamique et les facteurs de contrôle qui régissent leur formation.
Classiquement, nous considérons deux styles tectoniques distinctifs à grande échelle pour une ceinture de nappes de plis et de charriage, à savoir thick-skinned et thin-skinned.
Le premier implique que le socle cristallin et les séquences de couverture sédimentaire sus-jacentes accommodent une quantité égale de déformation pendant la formation des montagnes.
Par contre, le style thin-skinned implique que le socle demeure non déformé et que la majeure partie du raccourcissement est accommodée dans la déformation des séquences de couverture sédimentaires au-dessus du socle, le long d’un cisaillement basal faible ou d’une zone de détachement.
Le style structurel des ceintures de nappes de plis ou de charriage est étroitement lié aux structures crustales héritées du passé, telles que les bassins ou les variations de la lithostratigraphie. Par conséquent, une grande quantité de données sur les ceintures de nappes de plis et de charriage indique que le style tectonique mais aussi le style interne peuvent être très variables pour une même ceinture. Par exemple, des études ont montré des changements de style de l’extérieur à l’intérieur ou d’un bout à l’autre de la ceinture. Par conséquent, il est suggéré que la géométrie tridimensionnelle des structures pré-orogéniques héritées est un facteur de contrôle dominant sur le style structurel des ceintures de nappes de plis et de charriage.
Dans cette thèse, nous nous concentrons sur l’une des principales ceintures de nappes de plis et de charriage des Alpes de Suisse romande, à savoir le système des nappes helvétiques. Le système des nappes helvétiques a une longue histoire dans la géologie alpine et a été l’un des principaux terrains d’essai pour l’évolution de la théorie des nappes.
En général, une nappe tectonique est définie comme une unité/feuille de roche allochtone cohérente qui s’est éloignée de sa position initiale le long d’un chevauchement basal ou d’une zone de cisaillement. De plus, nous distinguons deux types de nappes, à savoir les nappes de plis et les nappes de charriage. Les nappes de plis sont des grands plis couchés d’une amplitude de plusieurs kilomètres contribuant à une inversion stratigraphique de même amplitude. En revanche, les nappes de charriage sont mises en place le long d’un chevauchement basal sous forme de nappes rocheuses cohérentes, ce qui entraîne la superposition d’unités stratigraphiques plus anciennes sur des unités plus jeunes. Le système des nappes helvétiques présente une transition entre ces deux styles de formation de nappes.
Les changements de style forment la fameuse nappe plissée de Morcles au sud-ouest, la nappe plissée du Doldenhom au centre et la nappe de charriage de Glaris au nord-est. De plus, la nappe de Morcles et la nappe du Doldenhom sont recouvertes d’une série de feuilles chevauchantes plus petites qui sont analogues à la nappe de Glaris. Il est intéressant de noter que la nappe du Doldenhorn présente un flanc couché moins prononcés que la nappe de Morcles. Les reconstitutions montrent que ce changement est probablement dû aux variations de la structure initiale du graben qui contenait autrefois les unités rocheuses des deux nappes. Contrairement aux reconstitutions de la nappe de Glaris, il n’y a pas de système de graben prononcé. Il est donc suggéré que les variations latérales de la structure du socle ont eu une influence majeure sur l’évolution du système des nappes helvétiques.
Le but de cette thèse est d’acquérir des connaissances supplémentaires sur la transition latérale entre le plissement et le chevauchement et sur l’évolution et l’emplacement de l’empilement des nappes de plissement et de charriage dans un espace tridimensionnel. Pour ce faire nous utilisons des modèles numériques thermo-mécaniques en trois dimensions (3D) que nous appliquons au système des nappes helvétiques.
Dans notre première étude, nous mettons en oeuvre un algorithme numérique pour calculer et tracer les déformations finies en 3D afin d’en quantifier la déformation. Nous utilisons en plus un modèle visqueux 3D simple constitué d’une stratigraphie qui varie latéralement pour simuler la transition entre un chevauchement et un plissement. Nos résultats montrent essentiellement que la distribution spatiale et le gradient de la stratigraphie mécanique s’expriment directement par un changement du gradient de déformation finie le long de la charnière du pli vers la nappe de charriage.
Dans notre deuxième étude, nous utilisons un modèle numérique 3D d’une marge passive simplifiée avec une structure de graben hérité pour simuler la formation d’une nappe de plis qui est surmontée par une nappe de charriage. De plus, les paramètres et la configuration du modèle sont adaptés pour imiter les conditions initiales du système des nappes helvétiques. Nous sommes en mesure de reproduire plusieurs caractéristiques clés de premier ordre telles que la structure de la nappe, la distribution de la température, la synchronisation géologique et le profil de déformation finie. En poursuivant, nous montrons qu’un système de graben relativement simple peut expliquer les changements dans la structure de la nappe plissée tout au long du profil.
Enfin, nous acquérons également des connaissances supplémentaires sur le régime de déformation lors de la formation du système des nappes helvétiques.
