Subsidence et remplissage sédimentaire des bassins d’avant-pays

De même que les prismes orogéniques ont été décrits en terme de pro- ou retro- versant, les bassins flexuraux d’avant-pays suivent cette classification (Johnson et Beaumont, 1995). En effet, si la construc-tion et l’évoluconstruc-tion du prisme est dirigée par la vergence de la subducconstruc-tion, il en sera de même pour les bassins pays, directement influencés par la charge orogénique. Le remplissage des bassins d’avant-pays se fait par un transfert de matière depuis les zones de relief de la zone orogénique et également dans une moindre mesure depuis le forebulge qui se soulève en réponse à la flexure sur la marge distale (Figure 1.15 a). Les différences d’architecture stratigraphique observées entre le pro- et le retro-foreland sont ainsi attribuées à des différences des taux de subsidence (Naylor et Sinclair, 2008) contrôlés par la rhéologie de la lithospthère et la charge du prisme.

Comme nous l’avons vu précédemment, les bassins d’avant-pays on une forme de biseau ouvert vers la zone orogénique (Figure 1.13). Le type d’architecture sédimentaire qui domine est l’onlap sur la marge distale et le foredeep est marqué par l’aggradation des séries sédimentaires. La migration des onlaps sur le forebulge (Figure 1.15 b) et leur rotation passive (Figure 1.17) est causée par l’augmentation de la charge exercée par l’orogène en train de croître qui cause une subsidence accrue de l’avant-pays (Figure 1.14) et qui est supposée augmenter au cours du temps (Miall, 1995 ; DeCelles et Giles, 1996 ; Allen et Allen, 2005). Par conséquent, la migration des onlaps est moins marquée du côté retro-, celui-ci étant uniquement contrôlé par la subsidence de la lithosphère non subductée. Ainsi, la subsidence sera importante dans les premières phases de construction du prisme pour ensuite ralentir et devenir quasiment nulle pendant la période d’équilibre (Figure 1.15 c). Au contraire, le pro-foreland montre une migration des onlaps plus rapide et prononcée du fait de la migration de la déformation (Figure 1.15 b). Cela a pour effet de causer une subsidence importante mais uniquement pendant la phase d’équilibre du prisme (Figure 1.15 c). La valeur de 50 m/M a semble constituer un seuil (Naylor et Sinclair, 2008) pour caractériser la subsidence des pro-forelands (où elle sera supérieure) par rapport aux retro-forelands (où elle sera inférieure).

La géométrie en biseau des bassins d’avant-pays a une conséquence fondamentale sur la répartition des faciès sédimentaires et des lithologies à l’intérieur de ces bassins. Pendant les premiers stades de la croissance de l’orogène, le flux sédimentaire entrant dans le bassin n’est pas suffisamment important pour combler celui-ci d’où la persistance d’un domaine marin dans le foredeep et une flexure peu marquée (Sinclair, 1997). On parle alors de sous-remplissage (underfilled ). Plusieurs zones peuvent ainsi être dis-tinguées dans les premières étapes de fonctionnement de l’avant-pays et former la trilogie caractéristique des dépôts d’avant-pays sous-alimentés (Burchette et Wright, 1992 ; Sinclair, 1997 ; Figure 1.16) :

– La zone proche du wedge-top connaît une sédimentation silicoclastique alimentée par l’érosion des reliefs du prisme orogénique. Les sédiments détritiques sont distribués dans le domaine marin du bassin d’avant-pays soit directement au travers de fan-deltas (Golfe Persique, Baltzer et Purser, 1990), soit en transitant par des réseaux fluviatiles jusqu’à un domaine deltaïque (Gange, Inde, Gupta, 1997 ; Fly River, Papouasie Nouvelle Guinée, Walsh et Ridd, 2009).

– La marge distale, peu pentée du fait de la flexure de la lithosphère et également peu subsidente, voit s’établir des plateformes carbonatées sur le forebulge (Burchette et Wright, 1992 ; Dorobek, 1995). Ces plateformes, ayant généralement une géométrie de rampe, progradent vers le centre du bassin (Gilham et Bristow, 1998). Cependant en réponse à la migration de la flexure les premières plateformes établies sont enfouies sous des sédiments ou ennoyées et une nouvelle plateforme se développe au niveau de la ligne de côte (Dorobek, 1995).

Onset of

orogenesis

Growth

Steady-state

b) Chronostratigraphy

Pre-orogenic craton stratigraphy Pre-orogenic craton stratigraphy

Onlap

Unconformity

Condensed interval due to bypass

a) Doubly vergent orogenic wedge

Subducted lit_hosph

ere Ov^erri

ding ^lithosphere

Pro-foreland basin Pro-wedge Retro-wedge Retro-foreland basin

c) Tectonic subsidence

Onset of

orogenesis Growth ^Steady-state

D epth D epth Time Time

Onset of

orogenesis Growth ^Steady-state

Figure 1.15: Synthèse des caractéristiques des pro- et retro-bassins d’avant-pays. a) Représentation schématique d’une zone de collision où un prisme orogénique à double vergence s’est établi sur une lithosphère (couleur saumon) défléchie à cause de la charge. Ce prisme est composé d’unités de croûte (en orange) et de couverture incorporée au prisme (jaune foncé à points). Les bassins d’avant-pays sont représentés par le figuré jaune clair à points. Le remplissage est caractérisé par une géométrie en onlap migrant vers la marge distale, surtout marquée pour le pro-foreland. b) Schémas chronostratigraphiques du remplissage sédimentaire des bassins d’avant-pays pro- et retro-. Dans les deux cas le remplissage se fait en discordance sur la croûte continentale de leur plaques respectives. La quantité de dépôts préservés dans les bassins d’avant-pays dépend de la quantité de matière acrétée dans le prisme. c) Evolution de la subsidence tectonique des deux bassins d’avant-pays au cours de la formation de l’orogène. Le pro-avant-pays enregistre une subsidence tectonique relativement courte pendant la croissance de l’orogène tandis que dans le même temps le retro-avant-pays enregistre une histoire complète. Cette subsidence est au début constante pendant la croissance, puis une subsidence quasiment nulle pendant l’état d’équilibre. Le retro-foreland préserve alors des séries sédimentaires condensées dominées par le transit des sédiments (modifié d’après Naylor et Sinclair, 2008).

– La zone de foredeep connait une sédimentation mixte où se mélangent les sédiments carbonatés venant de la plateforme et les sédiments détritiques provenant du relief en train de croître. Du fait de la subsidence importante, cette zone subit parfois un affamement et donc une condensation des séries sédimentaires. Mutti et al. (2009) décrivent cette zone comme étant celle où ont lieu d’importantes déstabilisations à cause de la tectonique régionale qui provoquent des écoulements turbiditiques majeurs ainsi que des écroulements massifs d’unités carbonatées (Barnolas et Teixell, 1994).

Lors de l’évolution du système orogénique, l’élargissement du prisme qui a pour effet d’augmenter la charge sera donc un facteur d’accélération de la subsidence par une flexure plus importante (Lafont, 1994 ; Sinclair, 1997 ; Figure 1.16). Par conséquent, l’accélération de la subsidence est un facteur invoqué pour expliquer une des caractéristiques majeures du remplissage sédimentaires des bassins d’avant-pays, à savoir la disparition des carbonates sur la marge distale et leur remplacement par une sédimentation détritique distale avec une tendance au premier ordre à la transgression.

Toutefois, il ne faut pas oublier que les producteurs carbonatés, responsables de la formation des plate-formes, sont sensibles aux conditions écologiques (luminosité, turbidité, profondeur ; Beavington-Penney et Racey, 2004) et par conséquent aux variations eustatiques. C’est ainsi que lors d’une accélération de la subsidence, les plateformes suivent la ligne de côte afin de rester toujours dans un domaine où

+1 0km -1 0km -1 -2 -3 -4 +1 0km -1 0km -1 -2 -3 -4 +1 0km -1 0km -1 -2 -3 -4 +1 0km -1 0km -1 -2 -3 -4

Stage 1: Initial loading of outer passive margin (e.g. present-day Taiwan, Timor and Papua New Guinea, Paleocene in the Alps)

Stage 2: Development of underfilled trinity as flexural profile passes over passive margin

Stage 3: Steady-state migration of the underfilled trinity over the craton (i.e. rate of thrust front advance equals rate of cratonic onlap)

Stage 4: Transition of foreland basin from underfilled to a filled depositional state. clastics from the orogen fill the basin, smothering the underfilled stratigraphy

Molasse Delta Turbidites (upper unit) Hemipelagic mudstones (middle unit) Carbonate ramp (lower unit) Orogenic Wedge

Passive margin succession

Underfilled trinity

Basement

40km

0

Uplift of passive margin outer shelf above wave base initiating erosion

retrogradational cratonic margin carbonates

Forebulge unconformit_y

Increased erosion of passive margin

Reactivation of normal faults Forebulge uplift

Load induced flexural subsidence

Figure 1.16: Evolution idéale d’un bassin d’avant-pays et profils de flexure associés en quatre étapes montrant la transition d’un stade sous-rempli avec le dépôt de la trilogie Flysh-Calcaires hémipélagiques-Plateforme carbonatée à un stade sur-rempli où le bassin est comblé par des molasses (modifié d’après Sinclair, 1997).

les conditions de vies sont favorables (Burchette et Wright, 1992 ; Dorobek, 1995). En revanche, des changements écologiques majeurs pourront avoir un effet néfaste sur la pérennité des plateformes. Tout d’abord on pourra assister à un changement de producteurs ou à une réduction de leur nombre. Finale-ment les plateformes carbonatées peuvent totaleFinale-ment disparaître pour laisser la place à des plateformes siliceuses (Berthier, 2010 ; Huyghe, 2010).

1

1

2

2

3

3

Cônes alluviaux

Ligne-temps

Carbonates

Marin

Réseau de drainage

Deltas

Turbidites

Chevauchement

Prisme orogénique

Socle ante-flexural

Flux sédimentaire

5k

m

Log synthétiques

à travers le bassin

Evolution structurale et

sédimentaire d'un avant-pays

Figure 1.17: Bloc-diagramme synthétique de l’évolution tectonique, de la provenance des flux et du remplissage sédimentaire d’un bassin d’avant-pays au cours de la croissance de l’orogène (T. Nalpas, comm. pers.). Les réseaux de drainage présentent des drains transverses qui descendent directement du relief. Certains de ces drains se rejoignent dans un drain axial parallèle à la chaîne. Les variations de lithologies dans l’espace et au cours du temps sont également présentées sur trois logs synthétiques à différentes positions dans le bassin.

Par la suite, la croissance du prisme entraîne une augmentation importante des apports détritiques que la flexure ne peut plus compenser même si elle est encore impportante, ce qui a pour effet de combler entièrement le bassin d’avant-pays (régression majeure). On parle alors de stade sur-rempli (overfilled ). Pendant ce stade, la sédimentation est majoritairement détritique (cônes alluviaux, plaine alluviale et dépôts fluviatiles), avec quelques dépôts évaporitiques et carbonatés lacustres, dans le bassin.