Sedimentological characterization and distribution of syn-orogenic Miocene deposits in the northern Subalpine (Royans-Vercors-Chartreuse-Bauges) and southern Jura mountains. Tectonostratigraphic and chronostratigraphic framework
Caractérisation sédimentologique et distribution des dépôts syn-orogéniques miocènes des Chaines Subalpines (Royans-Vercors-Chartreuse-Bauges), du Jura méridional et du Bas-Dauphiné. Cadre chronologique et tectonostratigraphique
Abstract
Even if studied since more than a century, the geometry and chronology of the deformation of the external part of the Alpine belt is still controvertial (e.g., Leloup et al., 2005; Dumont et al., 2008; Bellahsen et al., 2012, 2014). In this area, the Miocene deposits of the northern subalpine massifs, the southern Jura, the Royans, the Bas-Dauphiné and the La Bresse basins were studied through a multidisciplinary approach that aimed at building a robust tectono-stratigraphic calendar at the basin scale. Through sequence stratigraphy applied on log sections and wells diagraphes, numerous sedimentary sequences (S1a to S8, dated at a precision better than +/-0.5 Ma) in the Miocene have been reappraised and constrained in time between the Lower Burdigalien (-21 Ma) and the Langhien (-16 Ma) by using 87Sr/86Sr ages (e.g., chemostratigraphy, 134 data), combined
with biostratigraphy and magnetostratigraphy. These sequences are in accordance with the Miocene of the Swiss Molasse Basin and the Miocene of the Rhone valley. Beforehand, a model tackling the evolution of process changes within 3rd order sequences (of the overfilled phase) of
foreland basins is proposed, thereby improving sequence stratigraphic predictions in foreland basins. Then, the study area was subdivided into 12 zones, each one being characterized by a specific sedimentary succession. Those 12 zones were further grouped into 4 different domains:
(i) the oriental domain is characterized by the deposits of the S1a to S3 sequences (~21.3 to 15Ma), (ii) the median domain, where the S2a to S5 depositional sequences were described (~17.8 to 14Ma), (iii) the occidental domain characterized by the S2a to S8 depositional sequences (~17.8
to 8-7Ma), (iv) the particular case of the Bressan domain, in which S6 to S8 were described (~11.55 to 8-7Ma). In order to link these results within a tectonic framework, a structural study was conducted. This study has highlighted 5 faults zones (ZF) through fieldworks and/or seismic data. A correlation of domains (i); (ii) and (iii) with ZF1, ZF2 and ZF3 has been proposed, suggesting a strong interplay between tectonic and sedimentation. Evolution in time and space of such domains within a wellestablished structural framework, along with evidences of syn-tectonic deposits as well as a westward migration of the depocenters, allow to propose the following chronology: (i) a WNW/ESE-directed compressive event (P1) corresponding to thrusting above ZF1 that likely initiated during the Oligocene. This event also implies that the ZF1 corresponds to the eastern border of the Miocene transgression; (ii) a W-WNW/E-ESE-directed compressive event (P2) involving the Belledonne massif Basal thrust, which implies the activation of the ZF2 to ZF5 during the early- to middle Miocene. P2 started at 18 +/- 0.3 Ma and lasted at least until 12 Ma. A fast Westward propagation of the deformation front occurred between east (ZF2) and West (ZF5), since not more than 4 Ma separated the onset ZF2 from the onset of the ZF5. (iii) a last phase (P3), dating back to the Tortonian finally occurred. This phase is less understood but is thought to imply
a significant uplift in the subalpine massifs, whereas horizontal motions prevailed within the Jura Mountains. The P2 phase deeply impacted the Miocene paleogeogreaphic evolution. The Miocene sea was indeed characterized by a rapid migration westward, in response to the expel of piggy-back basins on the growing ZF. Finally, palaeogeographical reconstructions are proposed, and integrated at a larger scale with the Swiss Molassic Basin (BMS) to the north and the Rhodano-provençal molassic Basin (BMRP) to the south. The P2 phase most likely corresponded to a prominent
compressive event at the scale of the Alpine chain, which involved a rapid sea retreat in the BMS coevally to the Rhone valley marine invasion in the BMRP, in response to the westward migration of the depocenter.
Bien qu’étudiée depuis plus d’un siècle, l’évolution de la cinématique et de la chronologie de la déformation des zones externes de la chaîne alpine fait encore débat (e.g. ; Leloup et al., 2005; Dumont et al., 2008; Bellahsen et al., 2012, 2014). Cette étude propose d’apporter de nouvelles réponses à travers l’étude et la caractérisation des dépôts syn-orogéniques du bassin d’avant-pays des Alpes occidentales. En effet, le Miocène des massifs subalpins septentrionaux, du Jura méridional, du Royans, du Bas-Dauphiné et de la Bresse, a fait l’objet d’une étude multidisciplinaire ayant pour objectif la mise en place d’un calendrier tectono-stratigraphique robuste à l’échelle du bassin. C’est à la lumière de la stratigraphique séquentielle appliquée à des données de terrains et des données de puits, de 134 âges 87Sr/86Sr, combinée à des datations magnétostratigraphiques et biostratigraphiques, qu’un découpage séquentiel précis (11 séquences de dépôts datées à +/- 0.5 Ma en moyenne) est proposé en cohérence avec la stratigraphie du Miocène des bassins voisins (bassin molassique Rhodano-provençal et bassin molassique Suisse).
Pour ce faire, un modèle d’évolution des processus sédimentaires au cours d’une séquence de dépôt a été préalablement proposé. La zone d’étude a ensuite été subdivisée en 12 zones et une série sédimentologique type a été proposée pour chaque zone. Ces 12 zones sont regroupées en 4 domaines bien définis à partir du remplissage sédimentaire propre à chaque zone : (i) le domaine oriental, où les séquences de dépôts S1 à S3 sont présentes (~21.3 à 15Ma), (ii) le domaine médian, avec les séquences de dépôts S2a à S5 (~17.8 à 14Ma), (iii) le domaine occidental, avec les séquences S2a à S8 (~17.8 à 8-7Ma), (iv) et le cas particulier du domaine bressan avec les séquences S6 à S8 (~ 11.55 à 8-7Ma).
Pour inscrire cette distribution spatio-temporelle des dépôts dans un contexte tectonique, une étude structurale a été menée en parallèle. Celle-ci a permis d’identifier cinq Zones de failles (ZF) majeures à partir de données de terrains et de données de sous-sol. Une corrélation a pu être
démontrée entre les domaines de dépôts (i), (ii) et (iii) et les ZF1, ZF2 et ZF3, indiquant ainsi une interaction entre le contexte tectonique et la distribution spatiale des dépôts. En effet, à partir de l’évolution spatio-temporelle de la distribution des dépôts dans un contexte structural bien défini, de l’identification d’évidences de dépôts syn-tectoniques et de la migration du dépocentre, un calendrier de la déformation précis caractérisé par trois phases majeures est proposé : (i) une phase compressive WNW/ESE qui débute à l’Oligocène (P1) qui implique la ZF1. Celle-ci limitera par la suite la transgression du Miocène à l’Est, (ii) une phase compressive W-WNW/E-ESE (P2) qui implique le chevauchement basal du massif de Belledonne et les ZF2 à ZF5 en surface. Cette phase débute à 18.05 +/- 0.3 Ma et se prolonge au minimum jusqu’à 12 Ma. En surface, le front de déformation se propage rapidement d’Est en Ouest, et il faut 4 Ma pour que les ZF2 à ZF5 s’activent les unes après les autres. (iii) une ultime phase tortonienne (P3) moins bien cernée, qui enregistre l’activation du front du Jura et semble être sub-synchrone à une surrection régionale. La phase P2 marque un changement paléogéographique majeur. La mer Miocène est rapidement chassée vers l’Ouest, en relation directe avec la mise en place de bassins de type « Piggy-back » transportés sur les ZF naissantes. Enfin, des reconstructions paléogéographiques sont proposées, intégrant notamment le Bassin molassique suisse (BMS) au Nord et le Bassin molassique rhodano-provençal (BMRP) au Sud. La phase P2 paraît correspondre à un événement tectonique majeur à l’échelle des Alpes, provoquant la migration vers l’Ouest et le Nord des dépocentres avec le retrait de la mer par le Sud dans le BMS, et l’inondation de la vallée du Rhône dans le BMRP.
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