Interactions between geodynamical process, regional tectonics and climate : example of the Southern Andes during the Neogene

Le travail de cette thèse concerne l’évolution du relief de la région du Fitz Roy, en Patagonie, à la frontière du Chili et de l'Argentine (49°S). Cette région est caractérisée par un contexte géodynamique particulier. En effet, la dorsale du Chili séparant les plaques océaniques Nazca et Antarctique, passe en subduction sous la plaque Amérique du Sud depuis 14 Ma. La subduction de ces deux plaques génère un point triple au niveau de la fosse du Chili (46°30’S). D’autre part, une partie des Andes australes est recouverte de la 3ème plus grande calotte glaciaire mondiale. Cette calotte constitue le reste de glaciers bien plus vastes apparus au Miocène supérieur. Actuellement, la Patagonie est marquée par un contraste climatique de part et d’autre de la chaine, avec un climat semi-aride sur le versant oriental, alors que le cœur de la chaine et la bordure occidentale sont recouverts de glaciers, et soumis à de fortes précipitations. Cette configuration est unique au monde et de ce fait, l’évolution de la Patagonie au Cénozoïque constitue un laboratoire propice à l'étude des interactions entre la subduction, la tectonique régionale et les conditions climatiques.Pour répondre à cette problématique, des modèles analogiques simulant la subduction d’une dorsale océanique ont été réalisés en laboratoire. Ces modèles ont mis en évidence des effets directs sur la géométrie du plan de subduction et donc sur la position de l'arc magmatique. L’arrivée de la dorsale à la fosse, lorsque la plaque continentale se déplace rapidement vers cette dernière, induit un aplanissement du slab dans sa partie la plus superficielle. Cette horizontalisation de la plaque plongeante entraîne une augmentation de la distance entre la fosse et l’arc magmatique, précédant la subduction de la dorsale. La migration vers l’est de l’arc magmatique s’observe effectivement en Patagonie au Miocène inférieur, quelques millions d’années avant le passage de la dorsale. Ces modèles suggèrent aussi que l’arrivée de la dorsale à la fosse entraîne le raccourcissement de la plaque continentale tel qu’observé au Miocène inférieur-moyen en Patagonie. La fin de ce raccourcissement se produit lorsque la dorsale entre en subduction.[...] Les objets étudiés sont des roches détritiques datant du Crétacé ainsi que des roches granitiques issues du massif du Fitz Roy, qui s’est mis en place au Miocène inférieur vers 16,5 Ma. Les données traces de fissions sur apatite (AFT) des granites présentent un âge moyen de 14,8 Ma, ce qui suggère que le pluton s’est refroidi rapidement après sa mise en place. Le signal obtenu dans les grès est de 12,5 Ma. Cette phase de dénudation rapide est liée à l’arrivée de la dorsale à la fosse et précède son entrée en subduction qui se produit à la latitude 49°S vers 12 Ma. L’étude tectonique n’a en revanche pas permis de déterminer l’âge de la fin du raccourcissement dans la chaîne plissée en raison de l’absence de dépôts sédimentaires tertiaires dans cette région. Toutefois, l’arrêt du raccourcissement se situerait entre le Miocène inférieur et le Miocène moyen d’après les études réalisés au Nord et au Sud de notre zone d’étude.Les données thermochronologiques (U-Th/He) sur apatite indiquent un signal à 7-6 Ma, mettant en évidence l’effet des premières glaciations patagonnes sur la dénudation des reliefs. Cet évènement climatique a induit une accélération de la dénudation. Les données de cette étude confirment donc que l’érosion glaciaire est un facteur de la dénudation des reliefs au Miocène supérieur. Les glaciers en Patagonie à la latitude 49°S n’ont donc pas eu un rôle protecteur du relief, comme cela avait suggéré par Thomson et al. (2010). La localisation de notre zone d’étude a donc permis de discriminer l’effet de la subduction de la dorsale et de la tectonique compressive associée et celui des glaciations sur le soulèvement et la dénudation du relief andin, car ces deux processus ne sont pas contemporains à la latitude 49°S.The aim of this thesis is to better understand the processes at the origin of the evolution and present-day topography of the Fitz Roy region, located in the Southern Andes, at the border between Chile and Argentina (49°S). This region is characterized by a particular geodynamic context that may play a major role on surface processes. Indeed, the Chile Ridge separating the Nazca and Antarctic oceanic plates, is being subducted beneath the South American plate since 14 My. The obliquity between the ridge and the subduction trench is responsible for a continuous northward migration of the triple junction that is located today at 46°30’S. Furthermore, the Southern Andes is covered by the 3rd largest ice sheet, that constitutes the relict of a much broader glacier formed during the late Miocene. Nowadays, Patagonia is affected by a strong climatic contrast, with a semi-arid climate on the eastern side chain, while the core and the western side of the chain are covered by glaciers and subject to strong precipitations. The tectonic/climatic setting is unique in the world and constitutes a natural laboratory to study of the interactions between ridge subduction, regional tectonics and climatic conditions on topographic evolution through time.To explore the impact of spreading ridge subduction on the overlying continental plate, analogue modeling of subduction of a ridge were conducted. The models highlight direct effects on the geometry of the slab et thus on the position of the magmatic arc. The arrival of the spreading ridge at trench, when the overriding plate moves rapidly trenchwards, induces a decrease of the superficial dip of the slab. This flattening results in an increase of the distance between the trench and the magmatic arc, prior to the ridge subduction. The eastwards migration of the magmatic arc is consistent with the observed magmatic activity migration in Patagonia during the early Miocene, a few million years before the arrival of the Chile Ridge at trench around 14 My. These models also suggest that the subduction of the ridge induces a horizontal shortening of the overriding plate, as observed in Patagonia during the early-middle Miocene. Shortening ceases when the ridge subducts.To explore the role and of tectonic and climate (glaciation) on the topography and exhumation rates, thermochronological data have been acquired in two localities: the Fitz Roy granitic massif, emplaced during the lower Miocene around 16,5 My at a depth of about 8 km and the overlying Cretaceous sandstones located to the East. Apatite fission track data (AFT) from granites provides a mean signal of 14,8 My. This suggests that the pluton cooled rapidly after its intrusion below 110 °C. The signal obtained in sandstones is younger at 12,5 My. We suggest that the fast denudation is related to the arrival of the ridge at trench and precedes its subduction, which take places at about 12 My at the latitude 49°S. Although we have not been able to constrain the exact timing of shortening in the fold and thrust belt, related to ridge subduction. We suggest that this deformation related to the ridge subduction may have ceased between the lower and the middle Miocene, based on other studies realized to the North and to the South of our study area.The (U-Th)/He data in apatite (AHe) present a signal between 7 and 6 My, that highlights the effect of the first glaciations of Patagonia that induced an acceleration of the relief denudation. We suggest that glacial erosion play a major role on the topography and relief denudation during the late Miocene. Glaciers of Patagonia at the latitude 49°S did not have a protector role of the relief, as suggested by Thomson et al. (2010).To conclude, evolution of relief in Patagonia is the result of both tectonic and climatic processes. In our study area, at a 49°S latitude, the effect of each process has been highlighted because they are not contemporaneous but separated by about 6 to 7 My