Evolution tectonique de la Patagonie Nord-Centrale par différentes approches de thermochronologie

The change in plate kinematics, which may have affected slab dip, can deeply influence the interplate coupling and consequently the deformation of the overriding plate. The north-central Patagonia represents a unique region to study the impact of slab-dip changes as this area is characterized by alternating episodes of steep to flat-slab since the onset of subduction below the South American Plate. The alternation of the upper plate subsidence and exhumation events related with slab steepening and shallowing episodes, respectively, or with changes in kinematics has been widely studied in the recent years along the Andes. However, some topics remain highly debated, and especially the magnitude of the vertical movements through time and space. Low-temperature thermochronology systems, which are sensitive to events involving the upper first kilometers of the upper crust, represent an efficient approach for dating and quantifying significant episodes of burial and exhumation. This thesis investigates the thermal history of the north-central Patagonian broken foreland and the Cordillera. The latter area has been widely studied through bedrock thermochronology studies compared with data from the Patagonian foreland, where only few data are available. Thus, this work aims at improving our knowledge on the relationships between the surface cooling record and the geodynamic evolution.Three apatites thermochronometers (U-Pb, fission tracks and (U-Th-Sm)/He) were used on bedrocks, Mesozoic and Cenozoic sandstones as well as on modern sediments. All samples were collected from the inner part of the north-central Patagonian Cordillera to the distal part of the broken foreland along the Atlantic coast. Compilation of these diverse thermochronology datasets, integrated by inverse thermal modeling and provenance analysis, is discussed here and compared with the different geodynamic processes proposed for Patagonia (e.g. convergence changes, slab dip variations). The new thermochronology records indicate that main unroofing of Patagonia (~3 – 4 km), Cordillera and broken foreland included, occurred during a slab-shallowing episode from late Early Cretaceous to early Paleogene, after a Jurassic – Early Cretaceous heating episode related to a significant burial below a thick sedimentary cover. This regional exhumation phase was followed by a period between the late Eocene and the early Miocene of foreland subsidence associated with slab rollback, characterized by a steady-state post-shortening low exhumation rates. During this period of relative quiescence, detrital analysis point to the Cordillera as a primary contributor of sediments for the entire foreland with a local input from the broken foreland reliefs. Finally, Miocene substantial exhumation is recognized into the Cordillera after a change of convergence rates and obliquity, especially along a dextral strike-slip fault zone active along the Cordillera. However, this exhumation phase is not detected regionally in the broken foreland. Since no regional sedimentary burial or relevant exhumation events affected the north-central Patagonian foreland, the few Oligo-Miocene ages identified along the foreland have been ascribed to the coeval intraplate magmatic processes.Le régime tectonique des zones de subduction et la déformation de la plaque chevauchante sont régis par la convergence des plaques lithosphériques, ayant un impact direct sur le couplage intraplaque et parfois sur la géométrie de la plaque plongeante. La Patagonie centrale-nord (40-48°S) constitue une région remarquable pour étudier l’impact des mécanismes profonds, tel que l’horizontalisation de la plaque plongeante, ayant conduit à la surrection de la Cordillère Patagonienne et de son avant-pays. Diverses études sur l’alternance des phases d’exhumation et de subsidence en surface ont été menées le long des Andes. Pourtant, de nombreuses interrogations demeurent sur la magnitude de ces mouvements verticaux à travers le temps et l’espace. Les systèmes de thermochronologie basse-température sont sensibles aux mouvements verticaux impliquant les premiers kilomètres de la croûte supérieure. Ils représentent donc une approche efficace pour localiser, dater et quantifier les périodes de subsidence et d’exhumation les plus significatives. Cette thèse a pour objectif d’examiner les histoires thermiques de la Patagonie centrale-nord, de son avant-pays et de sa Cordillère. Les reliefs andins à ces latitudes ont été largement étudiés par des analyses in-situ, tandis que peu de données de thermochronologie existent dans l’avant-pays. Ainsi, cette étude vise à apporter des connaissances plus approfondies à propos des relations entre la dynamique mantellique et les processus de dénudation à la surface.Trois thermochronomètres (l’U-Pb, les traces de fission et l’(U-Th-Sm)/He) ont été utilisés sur des apatites extraites d’échantillons provenant du substratum ainsi que de sédiments modernes, Cénozoïque et Mésozoïque, tous collectés dans la Cordillère Patagonienne et l’avant-pays, jusqu’à la côte Atlantique. La compilation de ces jeux de données, intégrant des modèles d’inversion thermique et des analyses de provenance, est discutée ici et comparée avec les différents processus géodynamiques proposés pour la Patagonie. Les nouveaux enregistrements de thermochronologie indiquent qu’un épisode d’exhumation majeure de 3 à 4 km a affecté l’intégralité de la Patagonie centrale-nord, Cordillère et avant-pays inclus, de la fin du Crétacé supérieur jusqu’au Paléogène, période correspondant à un épisode de subduction horizontale. Cette phase est suivie d’une période de subsidence de l’avant-pays entre l’Eocène tardif et le Miocène inférieur associé à la retraite du segment en subduction. Les analyses détritiques ont permis de mettre en évidence que, durant cette période, l’évolution de la Cordillère a été caractérisée par des taux d’exhumation post-déformation faibles et constants, et a été le principal contributeur sédimentaire de l’avant-pays proximal et distal. Une contribution locale des reliefs extra-andins a aussi été observée. Finalement, une phase d’exhumation considérable de la Cordillère est reconnue durant le Miocène, et particulièrement le long d’une zone de décrochement dextre active au sein de la Cordillère. Pourtant, cette phase d’exhumation, qui serait induite par un changement de taux de convergence et d’obliquité de la plaque de Nazca, n’est pas détectée régionalement dans l’avant-pays, ce qui signifie que la déformation y a été mineure. Comme aucun mouvement vertical notable n’a affecté l’avant-pays durant le Néogène, les rares âges Oligo-Miocène identifiés dans l’avant-pays ont été imputés à des processus magmatiques intraplaques