[PDF] T H E S E Docteur en Sciences 11 fév. 2014 La

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UNIVERSITÉ DE NICE-SOPHIA ANTIPOLIS - UFR Sciences École Doctorale des Sciences Fondamentales et Appliquées

T H E S E

pour obtenir le titre de

Docteur en Sciences

de l'UNIVERSITE de Nice-Sophia Antipolis ÉVOLUTION DES MOUVEMENTS VERTICAUX NÉOGÈNES DE LA CHAÎNE DU RIF (NORD-MAROC) : APPORTS DUNE ANALYSE

STRUCTURALE ET THERMOCHRONOLOGIQUE

2011-2014

Thèse dirigée par Michel CORSINI

et co-dirigée par Philippe MUNCH présentée et soutenue par Adrien ROMAGNY le 17 décembre 2014 devant le jury composé de :

Laurent JOLIVET Rapporteur

Marc JOLIVET Pr., Univ. de Rennes Rapporteur

Ali AZDIMOUSA Pr., Univ. Mohammed Premier (Maroc) Examinateur Ahmed CHALOUAN Pr., Univ. de Rabat (Maroc) Examinateur Jean-Marc LARDEAUX Pr, Univ. Nice-Sophia Antipolis Examinateur François NEGRO Mcf., Univ. de Neuchâtel (Suisse) Examinateur Michel CORSINI Pr., Univ. de Nice-Sophia Antipolis Directeur de thèse Philippe MUNCH Pr., Univ. de Montpellier II Co-directeur de thèse 2 3 UNIVERSITÉ DE NICE-SOPHIA ANTIPOLIS - UFR Sciences École Doctorale des Sciences Fondamentales et Appliquées

T H E S E

pour obtenir le titre de

Docteur en Sciences

de l'UNIVERSITE de Nice-Sophia Antipolis présentée et soutenue par

Adrien ROMAGNY

ÉVOLUTION DES MOUVEMENTS VERTICAUX NÉOGÈNES DE LA CHAÎNE DU RIF (NORD-MAROC) : APPORTS DUNE ANALYSE

STRUCTURALE ET THERMOCHRONOLOGIQUE

Thèse dirigée par Michel CORSINI

et co-dirigée par Philippe MUNCH au Laboratoire Géoazur UMR 7329

Soutenue le 17 décembre 2014

devant le jury composé de :

Laurent JOLIVET Rapporteur

Marc JOLIVET Pr., Univ. de Rennes Rapporteur

Ali AZDIMOUSA Pr., Univ. Mohammed Premier (Maroc) Examinateur Ahmed CHALOUAN Pr., Univ. de Rabat (Maroc) Examinateur Jean-Marc LARDEAUX Pr, Univ. Nice-Sophia Antipolis Examinateur François NEGRO Mcf., Univ. de Neuchâtel (Suisse) Examinateur Michel CORSINI Pr., Univ. de Nice-Sophia Antipolis Directeur de thèse Philippe MUNCH Pr., Univ. de Montpellier II Co-directeur de thèse 4 5

Illustration de la couverture :

en direction de Jebha. Cette vue vers le contact entre les zones internes et les zones externes donne un bon aperçu du travail de terrain dans la chaîne du Rif. 6 7

À mon petit frère Martin,

qui a partagé mon quotidien quasiment sans discontinuité depuis près de vingt-trois ans.

Et à mon second petit frère Titouan,

né pendant ce travail de thèse, et qui parlera peut-arabe à Rabat. 8

Résumé

9

RÉSUMÉ

La chaîne du Rif (Nord du Maroc) constitue, avec les Cordillères des Bétiques (Sud de

compréhension des mouvements verticaux associés aux processus orogéniques. Les unités les

plus profondes du Rif (roches crustales et mantelliques) affleurent dans les secteurs de Ceuta, Cabo Negro et Beni Bousera. Les travaux antérieurs montrent que ces unités métamorphiques -Miocène inférieur, qui a été a

contraindre les mouvements verticaux postérieurs à ce refroidissement dans la chaîne du Rif,

cinématiques impliqués dans les mouvements verticaux de la marge du Rif depuis le

Néogène. La thermochronologie a permis de contraindre le timing des mécanismes de

unités syn- clé. Les résu

modèle théorique imageant la succession des différentes phases tectoniques durant le

nt

été exhumées (Ceuta, Cabo Negro et Beni Bousera), ainsi que dans des secteurs où

déterminer le type de champ de déformation associé à cette évolution orogénique. Quatre

phases principales de déformation ont été distinguées : i) couverture. En revanche, le chevauchement des formations comprises dans le prisme orogénique (contact zones internes/externes) en avant de la chaîne, ~NE/SW ; ii) pendant le Miocène moyen, cette même compression ~NE/SW provoque le rétro-charriage des parties externes de la chaîne, vers les parties internes. Cet évènement a pu induire le ralentissement du refroidissement des unités de Beni

Bousera ;

iii) pendant le Miocène supérieur, une compression ~ " pull-apart » ; iv) toutes les zones internes et constitue un des facteurs clés contrôlant le relief actuel. Pour la première fois, une étude thermochronologique moyenne- et basse-température a

été réalisée dans les secteurs de Ceuta et de Cabo Negro, afin de contraindre les mouvements

verticaux néogènes (40Ar-39Ar sur micas, traces de fission et (U-Th)/He sur apatites). Cette

étude a été complétée par les premiers résultats (U-Th)/He sur apatites, obtenus dans le massif

de Beni Bousera. Ces données ont permis de confirmer le refroidissement extrêmement rapide mioc-surface.

Résumé

10

Les taux de refroidissement importants estimés sont attribués à la localisation des unités

-BP. La tectonique extensive affectant ces formations a induit des taux de refroidissement caractérisés par un finale des unités métamorphiques, les mouvements verticaux qui affectent les zones internes sont de faible ampleur (moins de 1,5-1 km).

Une comparaison de ces déplacements identifiés dans les zones internes, a pu être

aux données (U- hermochronologique basse-température montre que depuis le Miocène moyen, la vitesse de surrection du secteur au Sud de Jebha a

été beaucoup plus rapide que celle déterminée dans les zones internes depuis le Pliocène

inférieur. Ces différences de vitesses peuvent être associées à des processus crustaux et

mantelliques. déformation mettent en évidence le lien existant entre les périodes de mouvements verticaux majeurs (e : i) - 10 -Burdigalien. Les mouvements parties plus profondes et situées en avant-chaîne sont en compression ; ii) Des mouvements extensifs comparables à ceux observés dans les zones internes du Rif

Gibraltar permet à c-Ibérie. Les

mouvements compressifs sont concentrés au niveau des fronts de chevauchements du Rif et des Bétiques et au niveau de la Trans-Alboran Shear Zone.

Abstract

11

ABSTRACT

The Rif Chain (Northern Morocco) belongs, with the Betic Cordillera (Southern Spain), to the westernmost part of the Alpine belt. This sector is one of the main targets for the comprehension of vertical movements linked to orogenic processes. The outcropping crustal formations, associated with mantle formations, correspond to the deepest units of the chain exhumed in Ceuta, Cabo Negro and Beni Bousera areas. Previous studies have shown a fast cooling of the internal units during the Late Oligocene-Early Miocene, related to a crustal thinning and rifting of the Alboran Sea. The tectonic processes responsible for the geologic evolution of the region remain a subject of considerable debate. Despite the numerous investigations lead on the Pliocene uplifted deposits in the Rif Chain, the amplitude of the vertical motions subsequent to the period of cooling have never been constrained. This work aims to discuss the geochronology and kinematics involved in the vertical motion of the Rif margin since the Neogene. The thermochronology allowed constraining the timing of the uplifting mechanisms which have led to the emersion of the Rif margin synchronously of a rifting stage in the Alboran basin. What are the implications of this unique case of study on the thermochronological methods? This work is emphasized with a structural analysis lead in the key sectors. The results allowed providing an overview of the stress field evolution with a theoretical model imaging the successive tectonic phases during the Neogene time span. This study focused on the deepest metamorphic rocks outcrops (Ceuta, Cabo Negro and Beni Bousera) and on the major raised-up Pliocene basins (Oued Laou valley). This work aims to highlight the type of stress field involved in the orogenic evolution. Four main deformation stages have been distinguished: i) during the Early Miocene, a radial extension phase affects the superficial part of the exhumed metamorphic complexes and their cover. In contrast, thin-skinned fold and thrust of the units in the foreland areas of the orogenic wedge (internal/external zones boundary), result of a ~NE/SW compression; ii) during the Middle Miocene, this ~NE/SW compression induces back-thrusts movements from the external to the internal areas. This event can have induced a slowdown of the cooling in the Beni Bousera units iii) during the Late Miocene, a ~NW/SE compression affects the whole internal zones and triggered the opening of pull-apart basins; iv) since the Messinian-Lower Pliocene, a second stage of radial extension throughout the internal zones and exerted a fundamental control on the structuration of the present-day relief. For the first time, a medium- to low-temperature thermochronological study has been realized in order to constrain Neogene vertical movements. The method carried out in Ceuta and Cabo Negro areas used thermochronology (40Ar-39Ar, apatite fission tracks and apatite (U-Th)/He) and was completed with the first apatite (U-Th)/He data obtained in the Beni Bousera massif. These data provided direct information on the rapid cooling undergone by the deep-seated metamorphic units, subsequently to the Oligo-Miocene thermal event. The unusual fast cooling rates are inferred as resulting from the location of the metamorphic units at shallow depths during the HT-BP event. The extensional tectonic affecting these units have induced diachronous cooling rates between the Northern and Southern areas of the Rif internal zones. Since the final stages of uplift, the vertical motion have affected these areas with a weak magnitude (1.5-1km).

Abstract

12 A comparison between the vertical movements determined in the internal zones and estimated in the flyschs domain (South of Jebha fault), has been realized on the basis of apatite (U-Th)/He data. These low-temperature thermochronology data have shown a faster uplifting speed in the flyschs domain than in the internal zones since the lower Pliocene, attributed to crustal and mantle processes. The correlations reported between the vertical movements and the evolution of the stress field highlighted the linkage between the main stages of vertical motion (uplift right after exhumation) and extension period with a radial pattern: i) the last exhumation stages of the deep-seated metamorphic rocks, up to12-10 km of depth, were triggered by the radial extension of these units. The collapse extended from the low grade metamorphism (Greenschists facies) to the brittle strata during the aquitano-burdigalian times. This extension is expressed in the superficial units, whereas the deepest parts at the front of the Rif chain are undergoing a compression; ii) a second uplift stage proceeds at a very slow raising pace and is associated to radial extension in throughout the internal zones since the Lower Pliocene. Uplifting of the margin is synchronous of subsidence in the Alboran basin. Extensional movements observed in the Rif internal zones are described in the occidental part of the Alboran basin and in central, as well as in the central and western areas of the Betic orogenic system. The stress partitioning at the scale of the Gibraltar arc, allows extension of these sectors despite the global convergent motion of Africa-Iberia. The compression is localized at the front of the Rif and Betic thrusts fronts and along the Trans-

Alboran Shear Zone.

Table des matières

13

TABLE DES MATIÈRES

Résumé ______________________________________________________________________________ 9 Abstract ____________________________________________________________________________ 11 Table des matières ___________________________________________________________________ 13 Liste des illustrations __________________________________________________________________ 18 Liste des tables _______________________________________________________________________ 26

1. Contedžte gĠnĠral de l'Ġtude _____________________________________________________ 28

2. Mouvements verticaux de la lithosphère ___________________________________________ 28

2.1. Définitions _______________________________________________________________ 28

2.2. Mécanismes induisant les mouvements verticaux _______________________________ 29

2.2.1. Processus contrôlant la surrection et la subsidence ___________________________ 30

2.3. Estimations des mouvements verticaux ________________________________________ 32

2.3.1. Mesure des taux de surrection ____________________________________________ 32

2.3.2. Mesure des taudž d'edžhumation ___________________________________________ 32

3. Objectifs et problématiques _____________________________________________________ 33

3.1. Choidž de la zone d'Ġtude ____________________________________________________ 33

3.2. Problématiques abordées dans le cadre de cette étude ___________________________ 34

Chapitre 2 : Contexte géologique et géodynamique _________________________________________ 37

1. Structure actuelle de l'arc de Gibraltar et du bassin d'Alboran _________________________ 38

1.1. Structure profonde ________________________________________________________ 38

1.1.1. Structure crustale et lithosphérique ________________________________________ 38

1.1.2. Tomographie mantellique ________________________________________________ 39

1.1.3. Néotectonique et sismicité active __________________________________________ 40

1.2. Cinématique des plaques et champ de contraintes actuel _________________________ 42

1.3. Description géologique des grands domaines structuraux _________________________ 44

1.3.1. Les zones externes ______________________________________________________ 45

1.3.2. La zone des flyschs maghrébins ___________________________________________ 46

1.3.3. Les zones internes ______________________________________________________ 46

1.3.4. Le bassin d'Alboran _____________________________________________________ 48

1.3.5. Volcanisme de l'arc de Gibraltar ___________________________________________ 50

2.2. Modèles de délamination crustale ____________________________________________ 52

2.3. Modèles de retrait du plan de subduction ______________________________________ 53

2.4. Limites de ces modèles _____________________________________________________ 55

3. La structure actuelle de la chaîne du Rif ____________________________________________ 56

3.1. Données géophysiques _____________________________________________________ 56

3.1.1. Données sismiques _____________________________________________________ 56

3.1.2. Gravimétrie ___________________________________________________________ 56

3.1.3. Données de flux de chaleur et gradient géothermique _________________________ 59

3.2. Les principaux domaines structuraux de la chaîne du Rif __________________________ 60

3.2.1. Les zones edžternes et les bassins d'aǀant-pays _______________________________ 60

3.2.1.1. Les bassins d'aǀant-pays _____________________________________________ 61

3.2.1.2. Prérif _____________________________________________________________ 62

3.2.1.3. Sousrif____________________________________________________________ 62

3.2.1.3.1. Le Mésorif ____________________________________________________ 62

3.2.1.3.2. L'Intrarif ______________________________________________________ 63

3.2.2. Les flyschs maghrébins __________________________________________________ 64

3.2.2.1. Les nappes maurétaniennes __________________________________________ 64

3.2.2.2. Les nappes massyliennes _____________________________________________ 64

Table des matières

14

3.2.3. Les zones internes ______________________________________________________ 65

3.2.3.1. La Dorsale Calcaire et le domaine prédorsalien ___________________________ 66

3.2.3.2. Le complexe des Ghomarides/Malaguides _______________________________ 66

3.2.3.3. Le complexe des Sebtides/Alpujarrides _________________________________ 66

3.2.3.3.1. Les Sebtides supérieures ou unités de Federico _______________________ 67

3.2.3.3.2. Les Sebtides inférieures __________________________________________ 68

3.2.3.4. Dépôts tertiaires et plio-quaternaires __________________________________ 68

3.2.3.4.1. Formations oligo-miocènes _______________________________________ 68

3.2.3.4.1.1. La formation Fnidek-Ciudad Granada ___________________________ 68

3.2.3.4.1.2. La formation de Sidi Abdeslam-Viñuela _________________________ 69

3.2.3.4.1.3. Relations entre les deux séries ________________________________ 70

3.2.3.4.2. Crise de Salinité Messinienne et dépôts plio-quaternaires ______________ 70

3.2.3.4.2.1. La Crise de Salinité Messinienne _______________________________ 70

3.2.3.4.2.2. Les formations pliocènes du Rif interne _________________________ 71

3.2.3.4.2.3. Terrasses marines quaternaires et mouvements verticaux récents ___ 72

Chapitre 3 : Méthodologie - Thermochronologie moyenne- et basse- température _______________ 75

1. Datation 40Ar-39Ar ____________________________________________________________ 76

1.1. Calcul de l'ąge ____________________________________________________________ 76

1.2. Représentation des données ________________________________________________ 78

1.2.1. Spectres d'ąges et ąges plateau ___________________________________________ 78

1.2.2. Diagramme isochrone inverse _____________________________________________ 79

1.3. Appareillage ______________________________________________________________ 79

2. Datation (U-Th)/He sur apatites __________________________________________________ 81

2.1. Calcul de l'ąge ____________________________________________________________ 81

2.2. MĠthodes de prĠparation des Ġchantillons et d'analyse, appareillage utilisé __________ 83

3. Signification des âges ___________________________________________________________ 85

3.1. Diffusion thermique, fermeture du système isotopique ___________________________ 85

3.1.1. La diffusion thermique __________________________________________________ 85

3.1.2. La fermeture du système isotopique (rétention des isotopes et des traces de fission) 86

3.2. Notion de Zone de Rétention Partielle (ZRP) et paramètres influençant la température de

fermeture ________________________________________________________________________ 86

4. Modélisation de trajets de refroidissement à partir de donnés traces de fission et (U-Th)/He 88

4.1. Analyse de la distribution des longueurs de traces _______________________________ 88

4.2. ModĠlisation de la diffusion de l'He ___________________________________________ 88

Chapitre 4 : Mouvements verticaux néogènes dans les secteurs de Ceuta et Cabo Negro __________ 91

1. Introduction __________________________________________________________________ 92

2. Les travaux antérieurs __________________________________________________________ 93

3. Analyse structurale _____________________________________________________________ 95

3.1.1. Description lithologique et structurale ______________________________________ 95

3.1.2. Caractérisation des champs de déformation superposés _______________________ 97

3.1.2.1. Le champ de déformation D1 : extension et exhumation ___________________ 97

3.1.2.2. Le champ de déformation D2 : compression E/W ________________________ 101

3.1.2.3. Le champ de déformation D3 : compression N/S _________________________ 102

3.1.2.4. Le champ de déformation D4 : extension radiale _________________________ 102

3.2.1. Description lithologique et structurale _____________________________________ 104

3.2.2. Caractérisation des champs de déformation superposés ______________________ 107

3.2.2.1. Le champ de déformation D1 : extension et exhumation des unités __________ 107

3.2.2.2. Deuxième champ de déformation (phase D3) : compression N/S____________ 107

3.2.2.3. Troisième champ de déformation (phase D4) : extension radiale ____________ 107

Table des matières

15

3.3. Discussion ______________________________________________________________ 111

3.3.1. Les dépôts aquitano-burdigaliens _________________________________________ 111

3.3.1.1. Bassin de Fnidek __________________________________________________ 111

3.3.1.2. Les klippes du Jebel Zem-Zem et de Riffyine ____________________________ 112

3.3.2. IntĠgration de ces donnĠes dans le schĠma d'Ġǀolution du champ de dĠformation

proposé ____________________________________________________________________ 113

3. Histoire thermique des massifs de Ceuta et Cabo Negro _____________________________ 113

3.1. StratĠgie d'Ġtude _________________________________________________________ 113

3.2. Thermochronologie moyenne- et basse-température ___________________________ 114

3.2.1. Datation 40Ar-39Ar sur micas _____________________________________________ 114

3.2.1.1.1. Les orthogneiss du Monte Hacho _________________________________ 114

3.2.1.1.2. Les unités de paragneiss de Ceuta ________________________________ 117

3.2.1.1.3. Zones de cisaillement ductile de la phase D1 ________________________ 118

3.2.1.2.1. Les orthogneiss de Cabo Negro ___________________________________ 120

3.2.1.2.2. Les paragneiss de Cabo Negro ____________________________________ 120

3.2.2. Datation traces de fission sur apatites _____________________________________ 121

3.2.3. Datation (U-Th)/He sur apatites __________________________________________ 123

3.3. Modélisations de trajet de refroidissement ____________________________________ 127

3.4. Discussion et interprétation ________________________________________________ 129

4. Conclusions __________________________________________________________________ 132

Chapitre 5 : Mouvements verticaux néogènes dans les secteurs de Beni Bousera et Oued Laou ____ 137

1. Travaux antérieurs ____________________________________________________________ 138

1.1. Les Sebtides inférieures ___________________________________________________ 138

1.1.1. Les unités de Filali _____________________________________________________ 138

1.1.2. Les unités de Beni Bousera ______________________________________________ 139

1.1.3. Évolution P-T _________________________________________________________ 140

1.1.4. Géochronologie _______________________________________________________ 141

1.2. Les bassins sédimentaires __________________________________________________ 142

1.2.1. Dépôts aquitano-burdigaliens ____________________________________________ 142

1.2.2. Dépôts plio-quaternaires ________________________________________________ 142

2. Évolution structurale néogène des unités internes du Rif entre Tétouan et Jebha _________ 143

2.1. De Tétouan au Cap Zaouia _________________________________________________ 143

2.1.1. Analyse des données structurales _________________________________________ 143

2.1.1.1. Premier champ de déformation (D2) : mise en place des nappes dans la Dorsale

Calcaire ________________________________________________________________ 143

2.1.1.2. Le champ de déformation D3 : serrage N/S _____________________________ 145

2.1.1.3. Le champ de déformation D4 : extension radiale _________________________ 147

2.1.2. Évolution du champ de déformation de Tétouan au Cap Zaouia ________________ 149

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