3D structural controls of turbidite sedimentation into fold and thrust belts : example of the Annot Sandstones (SE France)

Les Grès d’Annot préservés dans les chaînes subalpines méridionales sont des turbidites riches en sable déposées dans le basin d’avant pays alpin durant l’Eocène supérieur et l’Oligocène inférieur. La sédimentologie et la stratigraphie de ce système turbiditique ont déjà été étudiées, mais le contexte structural reste mal connu. Cette thèse est consacrée à l’étude tectonique des Grès d’Annot, combinant un travail de terrain et l’utilisation d’outils de modélisation géométrique en 3D (gOcad) et cinématique (Trishear), centrés sur les sous-bassins d’Annot, du Grand Coyer et de Sanguinière. L’objectif est d’étudier l’héritage et l’évolution structural du bassin turbiditique et de le replacer dans le contexte régional du SE de la France. Les résultats indiquent que le remplissage du bassin périalpin précoce (Eocène et Oligocène) est bien plus complexe qu’une simple migration de la sédimentation (Grès d’Annot) et de la déformation vers l’avant pays. Ils révèlent des interactions entre tectonique et sédimentation à différentes échelles. A l’échelle de l’avant-pays, une coupe équilibrée illustre le contrôle primordial de la marge passive salifère préexistante sur la structure de la chaîne plissée. Le sel triasique constitue un décollement basal régional, qui de par sa faiblesse, a accommodé une déformation alpine précoce d’une large zone de l’avant-pays dès l’Éocène moyen et supérieur. Les variations de stratigraphie mécanique des séries mésozoïques sont à l’origine d’un changement de style structural : lors de la compression, plusieurs niveaux de décollement actifs se développent dans la partie orientale où les séries sont plus argileuses et plus fines. Ceci induit, en surface, une géométrie de bassin complexe avec des plis de longueurs d’ondes différentes et des migrations de charnière au cours de la sédimentation turbiditique. L’héritage structural du bassin d’avant-pays, jusqu’alors sous-estimé, est le résultat de l’ouverture de la Téthys alpine et d’une déformation précoce régionale exprimée par des plis d’axe E-W qui débute dès le Crétacé supérieur et s’accentue durant l’Éocène moyen. Des résultats préliminaires de thermochronologie (datations U-Th/He sur zircons détritiques de grès moyens à grossiers ou de granodiorites présentes dans les coulées de débris du dépocentre de Sanguinière) suggèrent une exhumation des reliefs à l’origine du matériel détritique liée à cette déformation crétacée. L’étude structurale détaillée de la série des Grès d’Annot et de son substratum dans les sous-bassins d’Annot et du Grand Coyer permet de définir en 3D les connections entre les dépocentres et de proposer une évolution structurale de ceux-ci à l’échelle du bassin. Les paléocourants montrent un parallélisme avec la direction des plis majeurs, indiquant un confinement alors que des directions divergentes à proximité des structures tectoniques plus mineures ou transverses suggèrent que ces dernières interagissent avec les écoulements. Les turbidites se déposent parallèlement dans plusieurs synclinaux alpins, actifs en alternance ou en même temps. A l’échelle des dépocentres, la modélisation géométrique 3D du dépocentre d’Annot en utilisant gOcad permet d’identifier les structures héritées et de démontrer la contemporanéité du plissement alpin et des dépôts turbiditiques. La migration de l’onlap des dépôts de grès et la variation des pendages à l’intérieur des membres turbiditiques sont associées à une migration du dépocentre. Cette géométrie est liée à une migration de la charnière synclinale qui favorise une tendance des dépôts à migrer latéralement plutôt qu’à s’empiler.D’un point de vue sédimentologique et stratigraphique, les Grès d’Annot sont connus pour être un bon analogue des réservoirs des grands fonds de type « riches en sable », situés sur les marges passives en aval de deltas.The Annot Sandstone, exposed in the southern sub-alpine chains, consists of sand-rich turbidites deposited in the Tertiary Alpine foreland basin (Upper Eocene – Lower Oligocene Annot Sandstone basin). While the sedimentology and stratigraphy of this turbidite system have been largely described and discussed, its structural framework remains unconstrained. This thesis presents a study of the tectonics of the Annot Sandstone basin based on field surveys and 3D geometrical (gOcad) and kinematic modelling (Trishear), focusing in particular on the Annot, Grand Coyer and Sanguinière sub-basins. Objectives were to determine the structural evolution of the sub-basins, including the role of inherited features, and to use these data to better constrain the alpine tectonic history of SE France.Infill of the early alpine foreland basin is more complex than a simple foreland migration of sedimentation and deformation. Results reveal complex interactions of tectonics and sedimentation at different scales during deposition of the Annot Sandstone.•At the foreland scale, a balanced cross-section illustrates the critical control by the pre-existing salt-based passive margin architecture on the structure of the fold and thrust belt. Triassic evaporates regionally acted as a weak basal detachment, accommodating an early alpine deformation phase of the whole foreland from the Middle to Upper Eocene. Variations in mechanical stratigraphy within the Mesozoic sediments generated a change in structural style. For example, the eastern region is characterized by a thinner, shalier Mesozoic succession, leading to several active detachments during alpine compression. Multiple fold wavelengths and synsedimentary rolling hinges generated by these active detachments led to complex depocentres. The previously under-estimated structural heritage of the foreland basin derived from rifting and spreading of the Alpine Tethys and from an early regional deformation responsible for E-W trending folds, which began in the Late Cretaceous and increased during the Middle Eocene. Preliminary thermochronology results (U-Th/He datings on detrital zircons of medium to coarse sandstone blocks and granodiorite blocks from debris flows of the Sanguiniere depocentre) suggest an exhumation of source areas during this Cretaceous deformation.•A detailed study of structures within the Annot and Grand Coyer sub-basins and their Cretaceous substrate revealed connected depocentres evolving in 3D at the basin scale. Paleocurrent directions are mainly parallel to the main alpine fold axes recording structural confinement, while some diverging directions indicate flow interaction with minor or oblique tectonic features. Turbidites were deposited along the axis into several alpine synclines, which were simultaneously or successively active.•Concerning the depocentre infill, 3D geometrical modelling of the Annot depocentre (using gOcad) was used to identify inherited structures and to constrain alpine fold activity during turbidite deposition. The onlap migration and the specific stacking and dip pattern within turbidite members (laterally rather than vertically stacked deposits) record depocentre migration linked with a rolling synclinal hinge. Due to its sedimentology and its stratigraphy, the Annot Sandstone is well-known as an analogue for sand-rich reservoirs deposited at delta toes in deep-water passive margins. This study reveals that, structurally, it is also a good example of axially-sourced turbidite depocentres developed on a multi-detachement fold and thrust bel