Contribution of the West Andean flank in Northern Chile to early stages of the Andean orogeny : insights from structural geology, thermochronology and analog modeling

Contribution du flanc ouest des Andes du Nord du Chili aux stades précoces de l'orogenèse Andine : une étude de géologie structurale, thermochronologie et modélisation analogique Les chaînes de montagnes se forment le long des limites de plaques convergentes par raccourcissement et épaississement de la croûte, en particulier lorsque deux plaques continentales entrent en collision. A l'inverse, les zones de subduction ne sont généralement pas associées à des reliefs (hormis les volcans) et à de la déformation de la plaque supérieure. Il existe cependant des exceptions : le long de la marge ouest de l'Amérique du Sud, les Andes constituent en effet un exemple moderne et actif de telles chaînes, dites de subduction. La majeure partie de la convergence est dans ce cas absorbée le long de l'interplaque de subduction sous la forme de grands séismes, mais une petite fraction de cette convergence contribue à la déformation de la plaque continentale supérieure et à la formation de l'un des plus grands reliefs actuels : la Cordillère des Andes et le plateau de l'Altiplano-Puna. La formation de l'orogène andin a probablement débuté vers la fin du Crétacé - début du Cénozoïque le long du flanc ouest de la chaîne, à ~16'22ºS, et s'est poursuivie depuis par la propagation de la déformation vers l'est, donc vers l'intérieur du continent sud-américain. Si les structures du plateau de l'Altiplano-Puna et des chaînes Est-andins sont maintenant bien connues, celles du flanc ouest restent mal documentées et leur contribution à l'épaississement crustal mal comprise. De ces points émergent plusieurs questions majeures non résolues : Pourquoi les Andes, dans un contexte de subduction ? Où et quand l'orogenèse andine s'est-elle initiée, plus précisément ? Comment la déformation a-t-elle été accommodée le long du flanc ouest, en particulier lors des premiers stades ? Pour répondre à ces questions, la première partie de ce travail documente les structures géologiques formant le flanc ouest des Andes à ~20'22ºS, quantifie leur contribution au raccourcissement andin et apporte des contraintes temporelles sur leur déformation. Pour cela, de nouvelles coupes géologiques sont proposées à partir d'observations de terrain, d'images satellites, de données topographiques et de profils sismiques existants, au Nord du Chili. L'acquisition et la modélisation de nouvelles données thermochronologiques complètent le tableau en documentant l'âge et la durée de l'exhumation du socle. Les résultats indiquent que le raccourcissement multi-kilométrique a été accommodé par deux structures majeures à vergence ouest : l'Andean Basement Thrust (ABT) et le West Andean Fold-Thrust-belt (WAFTB). Le WAFTB a été actif principalement entre ~68'29 Ma (voire ~68'44 Ma), tandis que l'activité de l'ABT a été datée à ~100'45 Ma grâce aux données thermochronologiques. Ces résultats fournissent de nouveaux indicateurs sur les premiers stades andins à ~20'22ºS, et apportent de nouveaux éléments pour répondre à "où", "quand" et "comment" les Andes sont apparues. La deuxième partie de cette thèse étudie les conditions qui amènent au raccourcissement de la plaque continentale au-dessus d'une zone de subduction. Des modèles analogiques, basés sur un dispositif expérimental original, permettent d'explorer ces questions. Ils montrent que la déformation de la plaque chevauchante se produit lorsqu'un flux mantellique sous-jacent pousse la plaque océanique subductante contre le continent, lui-même fixé à une paroi. Pour la première fois à notre connaissance, un modèle analogique ressemblant aux Andes Centrales est proposé, dans lequel la localisation de la déformation est favorisée par une lithosphère continentale pré-structurée et faible. Ces expériences contribuent donc à comprendre "pourquoi" les Andes se sont formées dans un contexte de subduction, et ouvrent des perspectives prometteuses pour de futures études.