ENREGISTREMENT DES SURRECTIONS LIEES AUX ACCRETIONS DE TERRAINS OCEANIQUES : LES SEDIMENTS CRETACE-PALEOGENES DES ANDES D'EQUATEUR

The Northern Andes differ from the Central Andes by the presence of oceanic terranes accreted in the upper Cretaceous and Paleogene. As a consequence, the Andes of Ecuador comprise accreted oceanic terranes to the West (Costa, Cordillera Occidental), and the South American continental margin to the East (Cordillera Real, Subandean zone and Oriente basin).This work aims to characterize the quartz-rich clastic sediments deposited during successive accretions and to propose a model for the chain uplift and erosion. In addition, this aims to verify the hypothesis of Guillier et al. (2001) et Jaillard et al. (2002), which propose that the relief of the Andes of Ecuador does not result from tectonic shortening of the continental margin, as in the Central Andes, but from the addition, by accretion and underplating during oceanic terranes accretions, of buoyant oceanic crustal material, exerting an Archimedes force responsible for the chain uplift, which then induced the reactivation of the erosion, and the deposition of quartz-rich clastic sediments, that seal the accretions.We studied sandstones and conglomerates of Campanian to Eocene age, coeval with the accretion and underplating of oceanic terranes, in order to determine the tectonic consequences of these processes on the tectonic behaviour of the Ecuadorian continental margin, specially on the Occidental Cordillera and the Real Cordillera, but also on the back-arc and fore-arc zones. Therefore, we analyzed : (1) the paleodepths of deposition of the syntectonic sediments, and the erosional discontinuities due to each accretion ; (2) the position of the paleo-shoreline and of the marine sedimentation on either side of the emergent margin ; (3) the topographic gradient between the source zones and the depocentres, expressed by the grain size variations of the sediments ; and (4) the exhumation of the source zones, through the petrographic evolution of the studied clastic sediments. Three basins of the Occidental Cordillera were studied in detail: the Cuenca basin to the South, and those of Saquisilí and Apagua in the Central part of Ecuador.The vertical succession of sedimentary environments in the studied basins shows the presence of major erosive unconformities defining four main depositional sequences, and points out the accretion periods. These accretions are: (1) Late Campanian (≈ 75–72 Ma), (2) Late Maastrichtian (≈ 69–65 Ma), and (3) Late Paleocene (≈ 58–56 Ma) in age. A last tectonic event of Late Eocene age (Bartonian - Priabonian) was well recorded throughout the margin. From South to North of the Occidental Cordillera, the 4 sequences evidence, except for the Maastrichtian, a jerked shallowing upward trend of the paleodepths of deposition from the Campanian to the Eocene. This study also evidences the retreat of the paleoshoreline during the upper Cretaceous - Paleogene interval. Indeed, the sedimentary basins of the Cordillera Occidental are younger, as they migrate to the west, and also northward. As a matter of fact, the southern Cuenca basin is infilled by middle Campanian to Paleocene p.p. deposits, the sediments of the Saquisilí basin are of Early Maastrichtian to early Middle Eocene age, and the Apagua basin contains eocene sediments. It is worth to note that farther Northwest, the La Cubera basin was infilled by sediments of Paleocene to Late Eocene age.Each accretion corresponds to an increasing grain size of sandstones and conglomerates, in the western basins (Cordillera Occidental and Costa) as well as in the Eastern zones (Subandean Zone and Oriente basin), except for the upper Maastrichtian accretion, which did not provoke an increase of the grain size in the sediments, but an erosional hiatus and a noticeable change in the source zones.In the Cuenca, Saquisilí and Apagua basins, a coarsening upward trend is recorded within each sequence (Campanian, Paleocene and Eocene), as well as in the succession of the sequences, confirming both the steepening of the margin paleoslope, and the uplift of the source area, essentially constituted by the Cordillera Real. Within each sequence, the increasing paleoslope is expressed by the rapid evolution from sandstones to conglomerates, which announces the tectonic event responsible for the overlying unconformity. For the same time-spans, similar evolutions are recorded, although in a more distal manner, on the Coast and in the eastern zones of Ecuador. Since the Cretaceous until the Paleogene, the mineral assemblages of the clastic sediments of the Cordillera Occidental show a three-stage evolution : (1) surrection and exhumation of the Cordillera Real, from the Campanian to the Paleocene, and to a minor extent until the upper Eocene ; (2) increasing amount, from the Paleocene to the Eocene, of volcanic and sedimentary lithic fragments deriving from the deformation and erosion of the previously accreted terrains ; and (3) resumption of the magmatic arc activity from upper Eocene onward, indicated by the enrichment in plagioclase crystals. During stage 1, the sediments show a clear enrichment in stable minerals and lithic grains (mono- and polycrystaline quartz) at the expense of feldspars, thus reflecting a greater maturity of Paleogene sediments, with respect to those of the latest Cretaceous. At that time, the main source area was the Cordillera Real. From upper Paleocene on (stage 2), the increasing amount of lithic fragments deriving from the oceanic terranes shows that the deformed and eroded zone extends westward, and eventually includes the accreted terranes.In addition, this analysis allowed to point out two original results. The rectangle-shaped basins of the Cordillera Occidental (Cuenca, Saquisilí, Apagua, La Cubera) show tectonically active borders corresponding to major, NNE-trending dextral strike-slip faults, which reactivates accretionary sutures, and important subsidence rates, which suggest they are pull apart basins. We observe also an increase of deposition rates through time, suggesting an increasing instability of these basins located on the accretion sutures. The creation of these basins seems to coincide with the accretion of oceanic terranes, that would have occurred, therefore, in a dextral transpressive regime. The northward migration of these basins through time remains, however, to be explained. The eastern areas of Ecuador are classically interpreted as representing the flexural back arc basin (foredeep) of the Andean chain since the upper Cretaceous. Nevertheless, our study shows that, at a regional scale: (1) the hiatuses and erosions are more important at the foot of the Cordillera Real than to the East ; (2) the thicknesses of the Campanian to Eocene deposits increase from West to the East ; and (3) the Maastrichtian, Paleocene and Eocene sequences seem to retrograde toward the West. This set of observations point out that this part of the margin underwent uplift, rather than flexural subsidence. We propose that the Andes of Ecuador were built up by isostatic uplift associated with the successive accretion and underplating, beneath the margin, of crustal oceanic material of relatively weak density. These terranes would have generated an Archimedes force, responsible for the isostatic surrection of the margin following each accretion. In this model, the viscous reaction of the uplifted and flexured lithosphere would had accentuated its curvature radius, allowing the retrogradation of back-arc clastic deposits toward the chain, and explaining the observed lag-time of the sedimentary response in the eastern areas.Les Andes du Nord diffèrent des Andes centrales par la présence de terrains océaniques accrétés au Crétacé supérieur et Paléogène. Ainsi les Andes d'Equateur comprennent des terrains océaniques accrétés à l'Ouest (Côte, Cordillère Occidentale), et la marge continentale de l'Amérique du Sud à l'Est (Cordillère Royale, zone Subandine et bassin Oriente). Cette étude a pour but de caractériser les dépôts de sédiments détritiques quartzeux mis en place au cours des accrétions successives et de bien cadrer un modèle de surrection de la chaîne et de son érosion. On espère ainsi apporter des éléments pour tester le modèle de Guillier et al. (2001) et Jaillard et al. (2002) selon lequel le relief des Andes d'Equateur résulte non du raccourcissement tectonique de la marge continentale comme c'est le cas des Andes centrales, mais de l'addition en profondeur, par accrétion et sous-placage lors des accrétions de terrains océaniques, de matériel crustal océanique. Celui-ci exercerait une poussée d'Archimède responsable de la surrection de la chaîne, puis de l'érosion et du dépôt de sédiments détritiques quartzeux, qui scellent ces accrétions.Dans ce but, nous avons étudié les grès et conglomérats d'âge Campanien à Eocène, contemporains de l'accrétion et du sous-placage des terrains océaniques, afin de déterminer les conséquences tectoniques de ces processus sur le comportement tectonique de la marge continentale de l'Équateur, en particulier sur la Cordillère Occidentale et la Cordillère Royale, mais aussi sur les zones d'arrière-arc et d'avant-arcPour cela, on a analysé : (1) les paléo-profondeurs des dépôts de sédiments syntectoniques, et les discontinuités érosives liées à chaque accrétion ; (2) la position des paléo-rivages et des l'aires de sédimentation marine de chaque côté de la marge émergée ; (3) le gradient topographique entre zones sources et zones de dépôt, traduit par la granulométrie des dépôts ; et (4) l'exhumation des zones sources, au travers de l'évolution pétrographique des sédiments clastiques étudiés. L'étude a porté sur trois bassins de la Cordillère Occidentale : le bassin de Cuenca au Sud, et ceux de Saquisilí et d'Apagua au Centre de l'Equateur.La succession verticale des milieux sédimentaires dans les bassins étudiés montre la présence de discordances érosives majeures définissant 4 grandes séquences de dépôt, et encadrant les périodes d'accrétion. Ces accrétions peuvent ainsi être datées : (1) du Campanien supérieur (≈ 75–72 Ma), (2) du Maastrichtien supérieur (≈ 69–65 Ma), (3) du Paléocène supérieur (≈ 58–56 Ma). Un dernier événement tectonique de l'Éocène supérieur (Bartonien - Priabonien) est bien ressenti sur la marge. Du Sud au Nord de la Cordillère Occidentale ces 4 séquences indiquent, mise à part celle du Maastrichtien, une diminution globale de la paléo-profondeur du Campanien à l'Eocène. Cette étude met également en évidence le recul de la paléo-ligne de côte au cours du Crétacé supérieur–Paléogène. En effet, les bassins sédimentaires de la Cordillère Occidentale sont de plus en plus jeunes, d'une part à mesure que l'on s'éloigne de la Cordillère Royale (vers l'Ouest), et d'autre part lorsqu'on se déplace vers le Nord. Ainsi, le bassin de Cuenca au Sud montre un remplissage du Campanien moyen à Paléocène p.p., les dépôts du bassin de Saquisilí vont du Maastrichtien inférieur à la base de l'Éocène moyen, et le bassin d'Apagua contient des sédiments éocènes. Notons que plus au Nord-Ouest, le bassin de la Cubera est rempli de sédiments d'âge Paléocène à Eocène supérieur.À chaque accrétion correspond une augmentation de la granulométrie des grès et des conglomérats, dans les bassins occidentaux (Cordillère Occidentale et côte) comme dans les zones orientales (Zone subandine et bassin Oriente). Seule l'accrétion du Maastrichtien supérieur ne se traduit pas par l'augmentation de la granulométrie, mais par une lacune d'érosion et un changement de zones sources.Dans les bassins de Cuenca, de Saquisilí et d'Apagua, la taille des grains augmente vers le haut, au sein de chaque séquence (Campanien, Paléocène et Eocène), mais aussi d'une séquence à l'autre, confirmant l'accentuation de la paléo-pente de la marge et la surrection de la zone source, constituée essentiellement par la Cordillère Royale. L'augmentation de la paléo-pente se traduit aussi, au sein de chaque séquence, par le passage rapide des grès à des conglomérats en réponse à l'événement tectonique responsable de la discontinuité sus-jacente. Les mêmes évolutions sont observées aux mêmes périodes, mais enregistrées de façon plus distale, sur la côte et dans les zones orientales de l'Equateur. Au cours du Crétacé–Paléogène, l'étude des cortèges de minéraux détritiques des sédiments clastiques de la Cordillère Occidentale montre une évolution en trois étapes : (1) surrection et exhumation de la Cordillère Royale, du Campanien au Paléocène, et dans une moindre mesure jusqu'à l'Éocène supérieur ; (2) abondance croissante, du Paléocène à l'Eocène, de fragments lithiques volcaniques et sédimentaires dérivant de la déformation et de l'érosion des terrains préalablement accrétés, et (3) reprise de l'activité de l'arc magmatique à partir de l'Éocène supérieur-Oligocène inférieur marqué par un enrichissement en plagioclases. L'étape 1 montre un enrichissement des sédiments en grains minéraux et lithiques de plus en plus stables (quartz mono- et polycristallin) au détriment des feldspaths, qui reflète une plus grande maturité des sédiments du Paléogène par rapport à ceux du Crétacé terminal. La source principale est alors la Cordillère Royale. À partir du Paléocène supérieur (étape 2), l'augmentation progressive des fragments lithiques issus de couvertures océaniques montre que la zone déformée et soumise à l'érosion s'élargit, et inclut les terrains accrétés.De plus, cette analyse a permis de mettre en évidence deux résultats supplémentaires. Les bassins de la Cordillère Occidentale (Cuenca, Saquisilí, Apagua et La Cubera), présentent une géométrie rectangulaire, des bordures actives correspondant à des failles décrochantes dextres orientées NNE réactivant les sutures, et une subsidence importante, qui suggèrent qu'il s'agit de bassins en «pull apart». On note de plus une augmentation de leur taux de sédimentation avec le temps, suggérant une instabilité croissante de ces bassins installés sur les sutures des accrétions. La création de ces bassins semble coïncider avec les accrétions de terrains océaniques, qui se seraient donc effectuées en contexte transpressif. Leur migration vers le Nord dans le temps reste cependant à expliquer. Les zones orientales sont classiquement interprétées comme un bassin flexural d'avant-pays de la chaîne andine depuis le Crétacé supérieur. Cependant, notre étude montre qu'à l'échelle du bassin : (1) les hiatus et les érosions sont plus importants au pied de la Cordillère Royale qu'à l'Est ; (2) l'épaisseur des dépôts campaniens à éocènes augmente d'Ouest en Est ; et (3) les séquences du Maastrichtien, du Paléocène et de l'Eocène sont rétrogradantes en direction de l'Ouest. L'ensemble de ces observations indique donc que la marge est en surrection, plutôt qu'en subsidence. Nous proposons donc un modèle de construction de la chaîne andine par surrection isostatique liée à l'introduction successive sous la marge, par accrétion et sous-placage, de matériel crustal océanique de densité relativement faible. Ces terrains auraient causé une poussée d'Archimède responsable de la surrection isostatique de la marge après chaque accrétion. Dans ce modèle, après chaque surrection, la réaction visqueuse de la lithosphère soulevée et flexurée aurait abouti à accentuer le rayon de courbure de la lithosphère, permettant la rétrogradation des dépôts clastiques d'arrière-arc en direction de la chaîne, et expliquant le délai observé de la réponse sédimentaire dans ces zones orientales