EVOLUTION TARDI-OROGENIQUE DES CORDILLERES BETIQUES (ESPAGNE) : APPORTS D'UNE ETUDE INTEGREE

Late-orogenic extensional metamorphic domes are often associated with sedimentary basins developed during their exhumation along major crustal shear zones. With the example of the Betic Cordilleras (Southern Spain), being one of the ideal areas to study the exhumation of metamorphic rocks, the aim of this PhD thesis was to establish a geodynamic model for the metamorphic rocks exhumation integrating both superficial (sedimentary basins) and deep (metamorphic rocks). Its aim was to compare records of both sub-surface (i.e., Sedimentary basins) by studying tectonic subsidence (i.e., S) and deep domains by studying metamorphic rocks (i.e., P-T-t); their relationships being closely linked to the extensional motion along major shear zones (Ε). The aim of the PhD was to tackle a regional problematic by comparing records of that two markers witnessing of a unique cause: the late-orogenic extension of the Betic Cordillera and the formation of the Alboran Sea and on the other hand, to propose a methodological development. The first part of this PhD plan to constrain the basin floor deformation read through the sedimentary record of two basins located structurally on the hanging wall block of major shear extensional zones by the study of subsidence curves (Articles 1 and 2). Basins were born of a meridian (i.e., N-S) extension coeval with the final exhumation stages, at least partly completed by an E-W ductile stretching. Subsidence started at the uppermost Serravallian and extended during the Late Tortonian, before a regional compressional event, some 8 My ago. The second part, mostly structural (Article 3) try to reconcile the apparent paradox between that two, almost perpendicular extension directions by studying strain evolution on the footwall block. A five-stages-succession has been described and then integrated into a structural model for metamorphic rocks exhumation. Sierra Alhamilla and Sierra de los Filabres metamorphic domes were formed in a dominant E-W stretching beneath a major extension shear zone characterised by a top-to-the-W sense of shear. Dome formation was already visible during the late stages of deformation as the shear zone was working under the greenschist facies conditions. Formation of E-W trending domes then controls locally N-S extension accompanied by basin formation in the upper crust. The third part which brings new constraints in terms of « Pressure-Temperature » and time permits to precise quantitatively the above mentioned structural model (Articles 4 and 5). The three constitutive metamorphic units of the domes are then studied by using different P-T quantification methods bringing totally new results. The geochronological part of the study brings time constraints necessary to integrate results at all scale. We used in-situ Ar/Ar Laser ablation on phengites for various textural domains showing both contrasted compositions and P-T estimates. It is thus possible to date some segments or points of the P-T path. Peak-Pressure (20kbar for the Bédar-Macael or 14kbar for the Calar Alto) are reached before 30 My, around 40My. Rapid late-orogenic exhumation then started around 30My and was realised along roughly isothermal paths until 19My. Exhumation was then completed along a HT-LP type cooling path (i.e., 60°C/km) until 8 My. Ductile-Brittle transition is crossed at around 14Ma. In the last part, results are synthetised and integrated at various time and space scales from the one of sedimentary basins to the one of the evolution of the whole Western Mediterranean area (3D evolution of lithosphere segments) through the evolution of metamorphic domes (i.e., intermediate scale). Integration at the Betic-Rif scale (i.e., taking into account the Alpujarride complex) and the Western Mediterranean area is discussed in the Article 6.Les dômes métamorphiques extensifs formés en contexte post-orogénique sont parfois associés à des bassins sédimentaires développés durant leur exhumation le long de zones de cisaillement d'ampleur crustale. A partir de l'exemple des Cordillères Bétiques (Sud de l'Espagne), qui figurent parmi les terrains idéaux pour l'étude de l'exhumation des roches métamorphiques, cette thèse vise à établir un modèle géodynamique accompagné d'un calendrier cinématique intégrant à la fois les phénomènes superficiels (les bassins) et profonds (les roches métamorphiques). Elle repose sur l'analyse de deux enregistrements de la déformation crustale: celui des bassins sédimentaires, dont est tirée la subsidence tectonique (subsidence en fonction du temps, S-t), et celui des roches métamorphiques (chemins pression – température – temps, P-T-t); leurs histoires étant intimement liées au fonctionnement des zones de cisaillement extensives (Ε). Le but est ici, d'une part, de répondre à une problématique régionale, en comparant les enregistrements de ces deux marqueurs témoignant d'une cause unique, l'extension post-orogénique et la formation de la mer d'Alboran, et d'autre part, de proposer un modèle méthodologique. La première partie de cette thèse vise à lire et contraindre la déformation du substratum au travers de l'enregistrement sédimentaire de deux bassins situés au toit d'un accident majeur à partir de l'histoire de leur subsidence (articles 1 et 2). Ces bassins sont nés d'une extension méridienne synchrone de l'exhumation finale des dômes métamorphiques, au moins en partie réalisée par un étirement crustal E-W. La subsidence démarre au Serravallien et se poursuit jusqu'au Tortonien supérieur avant une phase d'inversion tectonique, il y a environ 8 Ma. La seconde partie, principalement structurale (article 3), tente d'expliquer le paradoxe apparent de ces deux directions d'extension perpendiculaires, en étudiant l'évolution de la déformation du mur des zones de cisaillement. Une succession continue de cinq stades de déformation est reconnue, intégrée dans un modèle structural de l'exhumation des roches métamorphiques. Les dômes de la Sierra de los Filabres et de la Sierra Alhamilla se sont formés dans le contexte d'un étirement E-W sous un détachement majeur avec un cisaillement vers l'Ouest. Leur structuration est visible dans les derniers stades de la déformation dès que la zone de cisaillement entre dans le faciès des Schistes Verts. La formation de ces dômes d'axe E-W contrôle l'extension, localement N-S et la formation des bassins dans la croûte supérieure. La troisième partie apporte de nouvelles contraintes à la fois en « Pression-Température » et en « temps » qui permettent de préciser le calendrier du modèle précédent (articles 4 et 5). Ainsi, les trois unités métamorphiques constitutives des dômes métamorphiques étudiés font-elles l'objet de l'utilisation conjointe de différentes méthodes de quantification P-T, apportant des résultats totalement nouveaux. Le volet radiochronologique de l'étude apporte les contraintes temporelles nécessaires à l'intégration des résultats à toutes les échelles. Il s'agit de datations 39Ar/40Ar in-situ par ablation laser des phengites en fonction de leur position structurale et de leur composition. Il est donc possible de dater les différents points du chemin P-T-t. Le maximum de pression (20 kbar pour l'unité de Bédar-Macael et 14 kbar pour l'unité de Calar Alto) est atteint avant 30 Ma, vraisemblablement vers 40 ou 50 Ma. L'exhumation post-orogénique rapide commence alors vers 30 Ma. Elle est réalisée le long d'un chemin isotherme jusque vers 19 Ma, puis le long d'un gradient HT-BP jusqu'à 8 Ma environ, la transition cassant-ductile étant traversée vers 14 Ma. Enfin, dans une dernière partie, ces résultats sont synthétisés et intégrés à des échelles de temps et d'espace croissantes depuis celle des bassins sédimentaires jusqu'à celle de l'évolution de la Méditerranée Occidentale (évolution 3-D de portions de lithosphère) en passant par l'échelle des dômes métamorphiques. L'intégration à l'échelle de la chaîne (prenant en compte le complexe Alpujarride) et de la Méditerranée Occidentale, est discutée dans l'article 6