L’approche de la thermochronologie dans la quantifi cation des mouvements verticaux

L’objectif général est de reconstruire l’histoire thermique et les mouvements verticaux des roches sur les premiers kilomètres de la croûte. Différentes approches sont possibles. Afi n de contraindre les différentes causes de la mise en surface de la roche, il est nécessaire d’expliciter les différents termes. On se basera ici sur les défi nitions proposées par Ring et al., (1999) :

• L’exhumation correspond à l’histoire de mise en surface de la roche, défi nie comme la distance verticale effectuée relative à la surface de la Terre.

• La dénudation correspond, quant à elle, à la perte d’élévation sans facteur de contrôle implicite (érosion et/ou processus tectonique) à un point particulier à ou sous la surface de la Terre.

• L’érosion correspond à la perte de relief (et de masse) sous l’action des processus climatiques (mécaniques et chimiques) et des processus de transport engendrant la perte de relief ;

• Le taux de soulèvement (rock uplift), i.e. le mouvement d’une roche par rapport à une référence extérieure (par ex. le niveau marin), est égal au taux de dénudation ajouté au taux de soulèvement d’une surface (en référence aussi à une surface extérieur).

A l’échelle d’un cristal, le principe de thermochronologie est fondé sur l’interaction entre l’accumulation de l’élément fi ls produit par désintégration d’un élément radioactif père puis la concervation des éléments produits aun sein du minéral. La conservation ou l’évacuation de ce dernier dépendra de son taux de diffusion thermique, dépendant de divers paramètres tels que la température. L’infl uence de ce paramètre est en effet essentielle. La température augmentant avec la profondeur, la diffusion des éléments produits variera. La fi gure 4-13 illustre, pour la méthode (U-Th/He), trois zones. De delà de 120°C (sous 3-4km de profondeur), la diffusion des éléments fi ls est totale. Entre 40°C et 120°C (1-3 km), la diffusion de l’élément sera partielle au sein du minéral. Pour une roche proche de la surface, la diffusion de l’élément sera nulle. Les limites de diffusion partielle et totale dépendront du thermo-chronomètre utilisé.

La fi gure 4-14 synthétise les différents thermo-chronomètres pouvant être utilisés, les gammes de températures données délimitant leur zone de rétention partielle. Suivant la méthode utilisée, l’information sera basée sur des âges de clôture du système cristallin (i.e ; arrêt de la diffusion) plus ou moins profond. En atteignant la surface, l’échantillonnage de ces roches permet de connaître l’âge apparent auquel le système étudié a passé la ZRP (Zone de Rétention Partielle). Cet âge apparent est généralement noté T₀, correspondant à l’âge auquel le système minéral est clos. Deux voies sont possibles pour obtenir des informations sur les taux de refroidissement de la zone d’étude:

• Les domaines sont liés à une histoire monotone ou un refroidissement rapide. Les données de thermochronologie peuvent être interprétées à travers l’âge de fermeture des différents systèmes (trace de fi ssion, méthode (U-Th)/He,…) au sein d’un même échantillon. Dans ce cas, une histoire géo-thermale peut être extraite.

• La caractérisation des phénomènes tectoniques et structuraux peut être effectuée en comparant les âges de multiples échantillons relativement proches entre eux, dans un environnement clos et bien contraint. Cette approche est appliquée le long de transects locaux présentant une large gamme d’altitude (dit transect verticaux). Cela permet de savoir ‘quand’ les échantillons, aujourd’hui situés à différentes altitudes, ont passés la ZRP selon le système thermochronologique utilisé (e.g. Hurford, 1990). Cette méthode ne nécessite pas d’a priori sur la structure thermale de la croûte, cependant d’autres effets locaux peuvent être observés (ce n’est pas un profi l purement vertical au contraire d’une étude de forage –e.g. Brown et al., 2002).

Concernant l’une de nos zones d’études, deux méthodes ont été utilisées afi n de contraindre l’histoire tectonique verticale du socle et le contexte de dépôt des unités mésozoïques à Néogènes au sein de la chaîne Catalane. Ces résultats sont exposés dans l’étude de [Juez-Larré et al., 2002,

2006] où l’auteur utilise :

• Le système (U-Th)/He qui exploite les décroissances α des chaînes radioactives, et • Les analyse de traces de fi ssion sur zircon ainsi que sur apatite, résultat de la fi ssion naturelle de .

On se basera dans cette étude sur l’exploitation de la méthode (U-Th)/He, plus sensible aux variations de sub-surface sur la période temporelle nous concernant, le Néogène. Dans le cas de l’utilisation du système (U-Th)/He, de nombreux paramètres sont à prendre en compte dans le calcul de l’âge de fermeture du système.

Il s’agit de la production et accumulation de l’Helium, dépendante à l’échelle du grain, de la distance d’arrêt des particules émises et de la zonation du grain d’apatite. Lors des désintégrations de l’ et , l’émission des particules va créer des défauts dans la maille cristalline. Les atomes d’He émis sont alors succeptibles de s’accumuler dans ces sites vacants. A ces paramètres est associé le taux de diffusion de l’Helium au sein de l’Apatite, dépendant de la température (l’Hélium est un gaz rare). Selon les modèles de [Flowers et al., 2009 ; Gautheron et al., 2009], cette diffusion est aussi dépendante de la production de défauts et de cicatrisation de ces derniers sous l’effet de la température. Il s’agit d’un paramètre essentiel. Par exemple, le problème de diffusion peut apparaître lorsque l’échantillon séjourne de manière prolongée dans la zone partielle de rétention pour des températures comprises entre 80 et 40°C (Gautheron et al., 2009). Ainsi les âges (U-Th)/ He supérieurs aux âges TFA peuvent représenter un message géologique pouvant être rapporté à un temps de résidence prolongé dans la zone partielle de rétention.

Pour les travaux plus approfondis sur l’importance et la quantifi cation de ces paramètres, on pourra se référer aux travaux de [Bour, 2010 ; Lepretre, 2015 ; Gautheron, in prep.]. On notera que l’interprétation des âges Helium sera donc très fortement dépendante de la taille du grain, des paramètres de diffusion de l’He, des concentrations en Uranium effective (eU), de la chimie du grain, de son histoire thermique ainsi que du fl ux thermique déterminé pour l’événement géodynamique caractérisant la physiographie de la zone d’étude. Le protocole utilisé pour l’exploitation de la méthode (U-Th)/He est décrit en détail par [Bour, 2010].

Deux campagnes d’échantillonage ont été effectuées en 2013 et 2014 au sein de la chaîne côtière Catalane. La fi gure 4-15 répertorie les grains d’apatite analysés par moi-même et Rosella Pinella. Sur les 18 roches prélevées, des âges ont pu être contraints au sein de sept roches. Les résultats des analyses (U-Th/He) des grains d’Apatite, après correction, nous fournissent des âges de fermeture des systèmes principalement autour du Paléogène-Miocène inférieur. Certains échantillons en bordure côtière proposent des âges Tortoniens. Ces résultats, du fait qu’ils

englobent une période de temps dépassant le cadre direct de notre étude1, laquelle est centrée sur la segmentation du bassin et son histoire Messinienne, ne seront pas malheuresement intégré dans ce manuscrit.

1 Afi n d’avoir une histoire complète de la zone d’échantillonnage (la chaîne côtière Cata-lane), la prise en compte d’âges plus anciens allant depuis la formation de la roche plutonique Hercynienne est nécessaire. Ces données sont cependant présentées dans la synthèse de Juez-Larré et al. (2006).