Paleozoic geodynamic evolution of Tien-Shan (Central Asia Orogenic Belt) and tectonic reactivation

La chaîne du Sud Tien-Shan (STS) en Asie Centrale est une des plus grandes chaînes intracontinentales et résulte de la réactivation de structures héritées de son histoire Paléozoïque lors de la formation de la Ceinture Orogénique d’Asie Centrale (CAOB). La compréhension de la tectonique actuelle du STS repose donc sur une bonne connaissance de sa structuration au Paléozoïque qui reste néanmoins largement débattue. La partie kirghize de la chaîne a été moins étudiée que la partie chinoise et cette thèse propose donc une étude détaillée du STS kirghize. En particulier, l’étude des massifs métamorphiques situés le long de la suture du STS permet de contraindre l’histoire de subduction. L’approche utilisée est pluridisciplinaire, basée sur une étude de terrain, puis une analysethermobarométrique utilisant des micro-cartographies chimiques couplées à de la modélisation thermodynamique, et enfin une étude géochronologique.Nous montrons que la faille de Talas-Fergana, faille active de 2000 km de long, est une discontinuité majeure dès le Carbonifère supérieur puisqu’elle délimite deux domaines à l’évolution distincte. A l’ouest, une subduction à vergence nord de l’océan Turkestan a conduit à la formation d’un arc magmatique important. Autour de ca. 301 Ma, la collision entre le Kazakhstan et le craton Alai entraine un épaississement crustal important associé à des nappes. A l’est, une subduction à vergence sud de ce même océan est suggérée par une structure à pendage sud présentant des unités de haute-pression océanique et continentale exhumées au sein d’un paléo-prisme d’accrétion de plus bas degré métamorphique le long de chevauchements à vergence nord et de détachements à vergence sud.La fermeture de l’océan Turkestan est marquée par l’exhumation de l’unité de haute-pression continentale à ca. 320-330 Ma. Au Permien, une première phase de réactivation dans un régime transpressif, est associée à un magmatisme intense. En bordure de la chaîne, ce magmatisme interagit avec un panache mantellique sous le craton du Tarim. Cette phase permienne a conduit d’une part à l’initiation de chevauchements à vergence sud, au sud du STS et d’autre part à la modification de la structure thermique de la lithosphère sous le Tarim.Le modèle d’évolution proposé pour le STS kirghize s’intègre bien dans un modèle d’évolution global de la CAOB. De plus, on voit que la structuration Paléozoïque, de la collision carbonifère à la première phase de réactivation permienne, permet d’expliquer la tectonique actuelle du STS qui est une chaîne à double vergence s’élevant au-dessus de bassin intramontagneux au nord et au-dessus du craton du Tarim au sud qui se comporte comme un bloc rigideThe South Tien-Shan (STS) belt, in Central Asia, is one of the largest intracontinental orogens. It results from the reactivation of Paleozoic structures inherited from the Central Asia Orogenic Belt (CAOB) building. Understanding the current tectonics of STS requires the knowledge of the Paleozoic history which is, however, still debated. As the Kyrgyz part of STS has been less studied than the Chinese one, this thesis aims to provide a detailed study of the Kyrgyz STS. Studying metamorphic ranges along the STS suture allows constraining the subduction history. A pluri-disciplinary approach was used, firstly based on field observations, then on thermobarometric studies combining X-ray micro-mapping and thermodynamic modeling and finally on geochronological studies.Results show that the Talas-Fergana fault, which is a 2000 km long active fault, was an important discontinuity from Upper Carboniferous times as it separated two areas with distinct geodynamic evolutions. To the west, a north-dipping subduction of the Turkestan Ocean led to the development of an important magmatic arc. Around ca. 301 Ma, the collision of Kazakhstan and Alai blocks resulted in crustal thickening and nappe stacking. To the east, a south-dipping subduction is suggested by south dipping structures exhibiting both oceanic and continental high-pressures units exhumed in a lower-grade paleo-accretionnary prism along top-to-the-north thrusts and top-to-the-south detachments. The continental high-pressure unit was exhumed at ca. 320-330 Ma just after the Turkestan Ocean closure. During Permian times, a first reactivation phase was associated to transpressive tectonics and intense magmatism. At the southern boundary of STS, interactions between transpressive tectonics and a mantle plume beneath the Tarim craton are reported. This Permian history led to the initiation of top-to-the-south thrusting to the south of STS and to the modification of thermal state of the lithosphere beneath the Tarim.The geodynamic model proposed for the Kyrgyz STS fits well with proposed models of global CAOB evolution. Moreover, is shows that the Paleozoic structuration, from the Carboniferous collision to the Permian reactivation, explains the current tectonics of STS which is a doubly vergent mountain belt thrusting intramontane basins to the north and the Tarim craton to the south. This latter acts as a rigid block since the Paleozoi