de la plaque océanique Pacifique

Cordillère des Andes au Pérou. Les sédiments marins du bassin d'arrière-arcCrétacé ont été portés à des altitudes dépassant parfois 5000 mètres lors de la formation des Andes. Photo: Étienne Jaillard

Les

Andes résultent de l'enfoncement

de la plaque océanique Pacifique

sous la plaque continentale sud-

américaine (craton). Ce contexte

géodynamique est différent de celui

d'autres grands systèmes monta-

gneux, comme les Alpes ou l'Hima-

laya, qui sontdus cl la collision de

plaques continentales.

géologues

etgéophysiciens de l'Orstom s'atta-

chent depuis 25 ans à comprendre

les mécanismes de la naissance des

Andes. Pour cela, ils en ont exploré

la constitution géologique, étudié les

déformations tectoniques, ils ont

analyséla composition des roches

issues des profondeurs de la chaîne,

ou visualisé sa racine au moyen des

ondes sismiques. L'étude de la sédi-

mentation ancienne constitue une

des méthodes pour reconstituer la

formation des Andes.

LESBASSINS SÉDIME NTAI RES : TÉMOINSDE LA NAISSANC E DES ANDES

d'éléme nts chi miq ues instabl es (rad ioac tifs,par ex.) conte n usdansles roches.Con na issan t la vitessede transformation del'élé mentet mesur ant sa composi- tionfinale (actue lle ), on en déduit letem ps écoulé depuissonéta t initial, c'est -à-dire depuis laforma- tion dela roch e qui le contient.

Une foisétablie la stratigraphi edu bassin séd i- mentaire,le géologue procède à l'étu desédirnento lo- gique desdépôts,qui lui permet de recon stitu erlepay- sage (pa léogéographie) de la zone à l'ép oq ue cons idé rée. Lanaturemême duséd ime nt ren seign e sur les circo nsta nces de so n dépôt. Par exemp le, un ca lc air e indi qu edeseau xpeu profo ndes, cla ires et chaudesfavorisan tledével opp em ent d'o rganis mesà coqui llescarbo na tées.En revanch e,des eauxchar- géesenparticul esdétritiqu es gêne n t la pénét ra tio n de lalumièr e, empêc he n t lapho tosyn thèse quiper- met la viedes organis mescalcaires,etseules sedépo- sent lespartic u les détr itique s.Laprésencedetels sédi- ments détritiques indique que l'éro sionétaitencours autourdu bassin;l'étudedespart icul es quilecom- posent informe sur la taille, la nat ure et lalocali sa- tiondesreliefsen cours d'érosion.

UNE MACHINEÀ REMONTER LE TEMPS n bassin séd imenta ire estune dépression à la surfaced'une plaque, rempli ede couches sédi- mentair es supe rposées qui représente, cha- cune, une époq uegéologiq ue. L'analyse des séd imen tspe rmetde carac té riserl'e nv iron - nem en t de dépôtetses cha ngemen ts dan sle temps et l'espace.Lecompo rte me n t du bassin séd i- mentai redépend de celuide la plaquesur laqu ell eil s'es t formé. Son ét ude àgra nde éche lleperme t de reconstituer l'h istoirede laplaqu e elle-mê me. Un bassinsédimentaire estdo nc àlafoisunemach in e à rem ont erle temps, une banded'enregistreme nt et un sté t hoscopeposé sur lacroûte terrest re.

Le géologueséd ime n ta ire doit, en premier lie u, établir la st ratig raph ie dessédiments remplissant le bassin, c'est-à-d ire qu 'il doit dater les différentes couchesde roches.Deuxprincipales méthodesde dat ati on luison toffertes: lesméthodes paléontolo- giqueset lesméthodes phys iq ues. Les êtresvivants, grâceà leurfacultéd'évolut io n ,cha ng e n tave c le te mps.Le paléo nto loguepourraatt ribue r un âge à telle ou tell e forme defossile et dat er lacou ch equi la con tient. Lesfossilesutiliséspour établir la stratigra- ph ie des sériessédi mentairessontvariés, puisqu'ils von t du dinosau reaux polle ns, en passant par les mic ro-organ ismes duplancto n, les grainesvégéta les, les poissons ou les ammon ites.Parm i les méthodes physiques, l'une des pluscoura m me nt utilisées est la radioch ro nol ogie qui s'appliqu esurto ut auxroch es magmati ques.Elle utilise latran sformationatomique Les Andes occidentales

du Pérou sont le plus souvent formées de sédiments,mais ce sont fréquemment des granites qui constituent les sommetsles plus hauts(nevados).

Vertèbres de dinosaures (Crétacé terminai, Nord du Pérou).

24 ORSl" MA~ll' ALlTL.'

Toutesles roc hesséd ime nta ires présentent des structuresparticuli èresdues à leurmodede dépôt. Les figures sédimenta ires d'originemécani qu eren seign ent sur lanature , l'i nte ns ité et ladirectiondescou ra nts (mar ins ou fluviatiles) etsu r la présen cedepentes ou demouvemen ts.D'au tr esfiguresrésul te nt de phé- nom èn esde dessicat io n, crista llisatio n,dissolu tio n ou de circula tio ns defluides,quidépen de nt delapro- fonde urde dépôt,du tau xd'accumulati on,du climat, etc.Enfin,lesfigures d'origineorganiq ue (tracesou terrie rsd'a nim aux, cons tr uc t io ns corali en n esou algaires) reflè te ntl'ac t iv ité bio logiquede l'é poq ue , elle-mêmecontrôlée parleclimat,laprofondeur de dépôt,leta uxdeséd imen tat ion, la salin itéde l'eau.

UNE BANDE D'ENREGISTREMENT

Lesséd iments enregistrent aussi les variat ions des phén o mènes gu icont rô lent lerempl issage du bassin . Ces va riation s,siellesSOnt bien dat ées, perme tte nt de reconstituerl'évolutiondu paysagedansle tem ps.

Le niveaumarin avarié au coursdu temps.Après avo ir montépar à-coups entre130 et90 millionsd'années

(Ma), lamer abaissédelamêmefaçondepuis en v i- ron 90 Ma.Lesbassin s séd imenta iresont donc enr e- gistré l'invasion progressive delamer(tran sgression) entre 130et90Ma , puisson retrait progressif (régres- sion)jusqu'ànosjours.Maiscesvariati on sinte rfèrent avecd'autres phé nomènes, principal em entd'or igine tec toniqueou climatiq ue.

Les événe me ntset les con trai ntes tec ton iqu es peuvent être perçuspar l'a n al yse desdéformat ions affectant le sédimentpendantsondépôt. Par exemple, une faillenorma le,qu i tendà augmente r la surface de la couche séd ime nta ire qu'elleaffec te, indiqueune tecton iqueenexte nsion,tan d isqu'un e faillein verse , qui tend à en réduire la su rfac e , indiqu e une com- pression;ouencoreun plinaît généralement avec un axe perpen di cul air e à la direc t io n dela comp ression.

Desdo nn ées sur le clima tSOnt fourn ies parla faun eetla végéta t ion(po llens,plantes) trouvéesdans lesédiment,par certa in esfigures sédimenta ires carac- téri stiquesdeclimats glac ia ires, humides ouchauds, ou par lanature mêmede laroche.Parexe m ple, la présenced'évap orites ou de sables de duneséolie n nes indique un climat cha ud etdésertique.

Déformationd'un sédimentlacustre intervenant lors de

son dépôt, comme le démontrent les couches horizontales sus-jacentes (Miocène, Nord du Pérou).

ORSr<lMAcl UALI H , 25

LES BASS INS SÉDIMENTAIRES:TÉMOIN SDE LA NAISSANCEDES ANDES

AGE

GRANDS EVENEMENTS

ETAGES ^{Million s} TECTONIQUES ET

d'années SEDIMENTAIRES

QUATERNAIRE ⁰

_ _ PLlOCENE Prédom inancedel'érosion

10 Déformationdel'Amazonie MIOCEN E etsurrectionrapide des Andes

20 Sédimentationdétritiquesurla côte

W eten Amazonie

a:

Ci ^{OLiGOCENE 30}

i= Importantesdéformations

a:

w _EOCENE Sédimentationdétritiqu egrossière

l-

SO Importantesdéformations dans la zone côtière et les Andes- PALEOCENE ₆₀ Sédimentationde grainmoyen

Emersion

70 des Andesactuelles

CRETAC E

superieur 80 Sédimentationdétritiquefine

w _{Emersionde la zonecôtière}

a:

Ci Extension maximale delamer

C CRETACE Premièresdéformations

Z "moyen" ¹⁰⁰ encompression

0U ₁₁₀ Grande transgressionmarine

wCI)

CRETACE Sédimentationmarin e

inférieur ¹²⁰ limitéeàlazonecôtière.

Absence de déformations 130

JURASSIQUE

Chronologie des principaux événements tectoniques etsédl- mentaires enregistrés parles bassins sédimentaires andins.

Concrétions calcaires Jaunes typiques dlunpaléosol (Crétacé

"moyen", Sud du Pérou).

UN STÉTHOSCOPE

POSÉ SUR LA CROUTE TERRESTRE

L'étudedesmou vem en tsverticau x affec tantun bassin,c'est-à-d ire delasubsidence, renseignesur le comportementtherm iq ue, mécani q ue ettectoniq ue de laplaquequi le supporte. La partie externe de la terre est cons t it uée par une couche chaude ('"

1250°C),dense et visqueu se (asthénosphère),su r laq ue lleflotteune croûte froide,légère et rigide(litho- sphè re ) qui constit ue les plaquesmobilesd'environ 100km d'épaisseur.Différentsphénomènes affec tant une plaquepeuvent donnernaissan ceàun bassin séd i- men taire.

La subside ncepeut être due àune surcharge.En effet,lesplaquesobéissentauprincipe d'Archimède. Quanddes sédi men tss'accumu lent, la plaques'en- foncecomme un bateauqu'oncharge ,permettant l'acc umulationde sédiments supplémen taires.

Si laplaq ue est amincie, unedépressionseforme ensurface (subs idence par amincissementlit h o sph é- rique),partielle me n tcompe nsée par une remontée de l'ast h é nosph èr e . Cette dépressionconstitue un bassin séd ime nt a ire. L'amincissement est générale- men t dûàune exte ns io ntectonique,maispeut aussi être liéàl'érosion dela partieinférieure dela plaq ue parfrictionlelon g d'unezonedesubduc tion . Lasub- sidencethermiq ueestprovoquéepar lacontraction d'une plaq uelors desonrefroidisseme n t.Qua nd un bassin sédi ment a ire se forme parétireme ntdelalitho- sphère, laproximité de l'asth é nosph è re réchauffe d'abordlaplaque, quiserefroidit ensuiteavecletem ps, entraîn antsa con trac tionet la subside nce thermique lentedubassin .

La subsidenceparflexion estgénéralem en t due à l'enfoncem e nt de la bord ure d'une plaque sous la surcharge d'unechaînedemontagne en cours de for- mation. Cette flexion donnenaissanceàde profondes dépressio nsallongéesetasymétriques, situéesaufront de la chaîne(bassin sd'av ant-chaîne).Ilexiste aussi des flexionsmoinsprononcéesmaisàplusgrande échel le,duesàdesdéséquilibres the rmiqu esdan sl'as- thénosphèreauxabo rds deszonesde subducti on.

Enf in, la surrect ionou la déformat iond'un bas- sinsontgénéralemen t duesàunetecto niqu e encom- pression quidonnelieuàdesplis,des failles,deséro- sionsetdesdépôts détrit iq ues. L'âge maxim um de la tect on iq ue estdonnépar celui des couch es les plus jeunes qu'elleaffec te ,et sa nature peutêtredétermi- née parl'analysegéomé tr ique des défor matio nset des sédiments associés.

The origin of the Andes:

sedimentary basins tell their story

Depuis130 Ma, les Andes ont vuse succéde r plu- sieurssortes de bassins sédimentairesqui on t parfois évo lué d'un typeàun autre, ou ontété déformés et soum isàl'érosion .

LES BASSINS SÉDIMENTAIRES ANDINS

La format ion des Andes a com me ncé il y a quelq ue10 0Ma (Crétacémo yen ) ,ma isla chaîn e and in e n'a ém e rgé définitivement qu' ily aenviron 65 Ma(findu Crétacé). Les géologuesdel'Orst om se son tdonc attach és principalementàl'étudedesbas- sinsséd ime n ta ire s crétacés ou plusjeunes.Avant 65 Ma, lamer occupait la plus grande part ie du bord occidentaldelaplaque sud-améri cain e ,et les défo r- mati on stectoniquescompressives,qui donn e ront na issance àla cha î ne desAndes, ne se mani fest ent

The Andes ofBollvia,Peruand Eeuador are a typlcal exampleofamountainbelt created by the subduction of an ocea- nieplate beneathacontinental plate~n

this case the Pacifie Ocean plate sub- ductingbeneath South America). For the past ten to fifteenyears,Orstom geologists have been studyingthe sedi- mentay basins of the Andean belt so as 10establish how and when the belt was formed. Fromthis research they have been able to date the mainsedimentary and teetonic events that have aHected the Andes over the past100million years and so disclose the successive geographieal patterns of the belt in the process of uplifting. Further,analysis of sedimentary basins is yielding impor-

Argiles bigarrées et calcaires clairs lacustres (Crétacé terminal, Bolivie).

tant informationaboutthe behaviour of the Iithosphericplatesinvolved in the subduction process.Such analysis is therefore a useful toolfor detennining the relationship between thesubduc- tion processes andtec tonic events res- ponslblefor the fonnation of Andean- type mountain belts.

Thesedlmentary basins of the coastal and off-shorezones and the eastern, Amazonian basins containmajor fossU fuel reserves and are being studiedln close liaison with the national oil com- panies of Ecuador,Peru and BoiMa.The lntennontane basins of the Andes, whieh are of more purely sclentific interest, are being studied in cooperation with Peruvian and Ecuadorian universitles.

Ok ~TOM ^{ACTUAL I TÉS} 27

LES BASSINS SÉDIMENTAIRES: TÉMOINS DE LA NAISSANCE DES ANDES

LA MARGE ANDINE ACTUELLEMENT

Les bassins d'avant-arc, de par.leur situation, enregistrent les événements liés au processus même de subduction. On y "voit" par exemple les mou- vements latéraux (décrochements) provoqués par une subduction oblique, la subsidence liée à l'éro- sion de la base de la croûte continentale le long du plan de subduction, ou encore l'arrivée d'obstacles portés par la plaque océanique dans la zone de sub- duction.

Le bassin d'avant-chaîne, situé au pied oriental des Andes, est rempli de sédiments détritiques issus de l'érosion des reliefs situésà l'Ouest. Sa série sédi- mentaire enregistre la flexion de la plaque sud-amé- ricaine sous le poids des Andes en cours de forma- tion, et les étapes de l'avancée vers l'Est du chevauchement de la chaîne andine sur l'ancien bas- sin marin maintenant émergé.

D'autres bassins sédimentaires, actuellement perchés dans les Andes, sont nés au sein même des reliefs en cours de formation (bassins intrarnonta- gneux) et sont directement contrôlés par la tecto- nique andine au Tertiaire. Leur remplissage enre- gistre les déformations dues aux contraintes tectoniques à l'origine de la chaîne, la surrection saccadée des reliefs qui les entourent, ainsi que les changementspaléogéographiqueset les événements magmatiques qui affectent les bassins et leurs zones d'apportssédimentaires.

UN PARTENARIAT INDUSTRIEL ET UNIVERSITAIRE

Ces recherches sur les bassins sédimentaires andins sont réalisées en partenariat avec des insti- tutions boliviennes, péruviennes et équatoriennes.

L'étude par l'Orstom des bassins anciens est menée en collaboration avec les universités nationales, intéressées par les implications théoriques et péda- gogiques de ces travaux. Mais les principaux parte- naires de ces programmes sont les compagnies pétrolières nationales des pays andins (Equateur, Pérou et Bolivie), puisque la matière organique qui a évolué, après maturation, en pétrole brut s'est déposée dans ces bassins, principalement entre105 et 85Ma.

L'étude du bassin d'avant-chaîne andin s'effec- tue également en relation étroite avec les compa- gnies pétrolières. En effet, le pétrole piégé dans les structures de ce bassin constitue une ressource es- sentielle de l'économie des pays andins. De plus, la forêt amazonienne empêche pratiquement toute observation directe des sédiments anciens, et les seules informations sont fournies par les puits forés pour l'exploration ou l'exploitation pétrolières. Les bassins côtiers sont également étudiés en relation avec les compagnies pétrolières, puisque plusieurs d'entre eux contiennent aussi du pétrole, et que leur partie immergée n'est connue que par la prospection sismique effectuée par ces compagnies.

Asthénosphère

100 km

alors que localement. Ce grand bassin marin a enre- gistré à la fois les phénomènes globaux comme les grands cycles eustatiques ou les changements cli- matiques, et les phénomènes géodynamiques liés à l'évolution de la marge andine: changements dans la vitesse ou la direction de la convergence entre plaques océanique et continentale, arrivées d'arcs volcaniques océaniques dans la subduction, etc.

A partir de 65 Ma, les déformations en com- pression se généralisent et fragmentent le grand bas- sin sédimentaire marin en bassins plus petits dont l'évolution est directement contrôlée par la tecto- nique et ses conséquences (reliefs, érosion) locales ou régionales, les phénomènes géodynamiques glo- baux n'y ayant que peu ou pas d'influence. Les Andes en cours de surrection séparent des bassins côtiers essentiellement marins, situés en bordure de la plaque sud-américaine (bassin d'avant-arc), d'un grand bassin plus vaste, surtout continental, s'éten- dant sous l'actuelle forêt amazonienne (bassin d'avant-chaîne).

FOSSE DE SUBDUCTION

FOSSE DE ARC

SUBDUCTION MAGMATIQUE HAUT-FOND CRATON

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LA MARGE ANDINE AU CRETACE(=100 Ma)

-

Coupes schématiques de la marge andine (Pérou) au Crétacé (%100 Ma)et actuelle- ment.

28 OR5TüM ACTUALlTES

Pour en savoir plus

Déformations de sédiments par glissements gravitaires (slumps) (Crétacé terminal ou Paléocène, Sud de l'Equateur).

Barragân R., Baudino R., MaroccoR., 1995.

Geodynamic evoluli on of the intermontane Chota basin, Northern Ecuador.

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Jaillard E., Ordonez M., Benitez S., Ber r on e s G., Jiménez N., Montenegro G., Zambrano 1.,1995.

Basin development in an accretionary.océanie-

flooredforearc setting: Southem coast al Ecuadorduring late Cretaceous to late Eo- cene times.In: Petroleum Basins01 South Amer ica,A.J. Tankard,R.Suarez, H.J.

Welsink,eds.•Am.Ass. Petrol. Geol. Mem.62. 615-631.

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Lavenu A., Marocco R., 1984.Sédimentation continentale et tecto- nique d'une chaine liéeà une zone de subduction: l'exempledes Andes centrales (Pérou-Bolivie) pendant le Tertiaire.Bull.

Centres Rech.Expl.- Prod.EU-Aquitaine,8.

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Neogene onqoinq tecto- nlcs in the southern Ecuadorian Andes.

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Ass.Petrol. Geol. Me- molr,62,597-613.

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Étude géodynamique d'un bassin intramonta- gneux tertiaire sur décrochements dans les Andes du Sud de l'Équa- teur: l'exem ple du bas- sin de Cuenca.

Géodynamique,3,117- 138.

NobletC., LavenuA••

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Tectonlcs of the Andes: a notion of continuum.

Tectonophysics,sous presse.

Sempere T.,1994.

Kimmeridgian (?) ta Paleocene tectonic evo-

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Cretaceous tectonics in the Andes,Salfity J.A.•

ed.,168-212.Earth Evolution Sciences , Vleweg & Sohn Publ., Braunschweigl Wiesbaden.

Les sédimentssont le plus souvent étudiés le long de gorges ou de vallées formant des coupes naturelles empruntées par des routes.

OR' Il' '' A<TUAIIlES29

LES BASSINS SÉDIMENTAIRES: TÉMOINS DE LA NAISSANCE DES ANDES

Trace dedinosaures

àla surfa ce d'un banc de grès(Crétacé ter mi nal , Bolivie).

Las cuencas sedimentarias : testimonio dei nacimiento de los Andes

Troncs siliclfiés (Crétacé"moyen", Sud de l'Equateur).

Los andesde Bo livia,PerûyEcuador sonun ajamplotipico de ragi6n mon- taüosa,resultadodelasubd ucciôn de unaplacaoc eânica pordebajodeune placa continent al (en est e caso, la placadei océanoPacific oquese des- lizaba]o la dei continent e Sudame- ricano).Desdehace10 0 15anos, un equipe de geologos de Orstom ha venldoestudiando cômoycuéndo se formaron lascuenc as sedimentarias de laregionand lna.Oic hos estudio s han permitidoestl marcuàndo ocurr- rieron los principales tenornenos sedi- mentariosytect6nlcosque afectanla cordillera andinadesdehace unos100 mil/ones de arios,eidentificarlossuce- sivos patrones geogrâficosdelaragl6n en el transc urso de su Iorrnaciôn.

Ademàs.el anâllsisde las cuaneas sedimentarias ha arrojadodatosimpor-

30ORSTOM ACTUALITËS

tantes sobre elcomportamientode las placasIito sfér lc as Impllcadas en al procesode subducclôn.Oichoanali- sis es,por10 tanto,una herramienta ût il para determlnar la re lac l én existenteentre los procesos de sub- duccl6nylos tenérnenostecténlcos que han dado orlgen a las cordilleras de t1poandlno.Enlas cuencassedi- mentarias de la zonacosterayde mar adentro, asi como en las cuencas orient ales dei Amazonas, existen yaclmientospetrollferosimport antes, que aetualmenteson objeto de estu- dios por parte de las cornp aûlas petroleras nacionale s de Perû, EcuadoryBolivla.Las cueneasintra- montaüosas de los Andes, da interés pura ment e cientf fico, estànsiendo estudiadasen cooperaciôncon uni- versidadesperuanasyecuatorianas.

L'étude des bassins intra-rnontagneux, dont les applications sont plus théoriques, est effectuée principalement en relation avec les universités d'Equateur et du Pérou. Etant souvent situésàdes altitudes importantes et recoupés par de profondes vallées, ils présentent d'excellentes conditions d'af- fleurement et d'observations, qui en font des lieux privilégiés pour la formation des étudiants à la géo- logie de terrain _

Etienne Jaillard, Alain Lavenu et René Marocco

Département "Terre, Océan, Atmosphère"

UR"Histoire et structure de la lithosphère"

Jaillard Etienne, Lavenu Alain, Marocco René

Les bassins sédimentaires : témoins de la naissance des Andes

ORSTOM Actualités, 1996, (49), p. 23-30. ISSN 0758-833X