Tectonics of the Eastern Greater Caucasus in Azerbaijan

Le Grand Caucase est la plus haute et la plus longue chaîne de montagne en Europe. Elle est le résultat de l’inversion suite à la collision de la plaque arabique et eurasienne d’un ancien bassin d’arrière arc mésozoïque, le « Greater Caucasus Basin ». La formation de l’actuel Grand Caucase a commencé au début du Tertiaire avec une accélération des mouvements au Pliocène-Pléistocène. Elle est encore active actuellement. Le Grand Caucase Oriental (EGC : « Eastern Greater Caucasus ») est situé au nord de l’Azerbaijan. Il correspond à une chaîne de chevauchements et de plis à double vergences avec une propagation vers le sud dans le bassin d’avant-pays du Kura et vers le nord dans le bassin d’arrière-pays du Terek. La région est connue depuis l’Antiquité pour ses ressources en hydrocarbures et ses volcans de boue. Ce contexte particulier, ces hauts sommets de la partie centrale (le sommet du Bazarduzu atteint 4466 m d’altitude) et le proche bassin sud caspien rendent cette zone intéressante pour des études sur l’évolution et la géodynamique. Le but de ce doctorat est dans un premier temps de décrire la géologie et l’évolution du Grand Caucase Orientale. Deuxièmement, des études structurales et géomorphologiques sur des zones sélectionnées ont été réalisées afin de définir un modèle structural de la région et de l’étendre ensuite à la totalité du Grand Caucase. Finalement, nous avons testé différentes méthodes comme les traces de fission dans l’apatite, la cristallinité de l’illite et les courbes de subsidence qui permettent entre autres de caractériser le comportement thermique et l’exhumation de la région. Les structures géologiques du Grand Caucase Oriental sont le résultat d’une contrainte compressive de direction NNE-SSW. Les plis résultants ont un plongement axial de quelques degrés vers l’ESE. Le Grand Caucase Oriental est également découpé par de nombreux chevauchements dirigés vers le NNE et le SSW. Ils sont respectivement situés au nord et au sud du Grand Caucase Oriental avec une transition dans la région centrale. Basé sur des sédiments marins trouvés à des altitudes de 2000 m et de 3550 m, nous avons respectivement déterminé des taux de soulèvement de surface de 0.77 mm/a depuis le Pliocène (~2.6 Ma) et de 0.31 mm/a depuis le Sarmatien (~11.6 Ma). Ces soulèvements ne sont pas comparables à ceux obtenus dans la partie centrale du Grand Caucase (Géorgie, Russie) qui atteignent des vitesses de 10 à 12 mm/a. Les traces de fission dans l’apatite, nous ont permis de déterminer que la partie centrale (Zone de Tufan) a subit des vitesses d’exhumation plus faibles mais durant une plus longue période (depuis l’Oligocène- Miocène Inf.) que la partie nord (Zone de Tahircal) où la dernière phase d’exhumation a commencé au Miocene Supérieur. Différents événements dans le Grand Caucase Oriental ont permis de définir six phases compressives. La première s’est déroulée avant le Callovien (Jurassique Moyen). Des sédiments Callovien sont en contact transgressif sur des sédiments Aalénien plissés. La deuxième phase est déterminée par le dépôt de conglomérats Berriasien sur des dépôts marins Kimméridgien fortement inclinés. La troisième phase correspond à l’érosion d’une paléo-vallée à travers la Nappe du Sahdag-Besbarmaq et une partie de la zone de Sahdag-Xizi. Cette paléo-vallée a ensuite été comblée par des sédiments marins allant du Crétacé Supérieur au Pliocène. La quatrième phase s’est déroulée à la fin du Crétacé Supérieur et s’exprime au nord du Grand Caucase Oriental par des sédiments Paléocène transgressifs sur des dépôts marins allant du Jurassique Moyen au Crétacé. La cinquième phase est directement liée au début de la formation du Grand Caucase à l’Eocène-Oligocène où l’on voit se créer des bassins d’avant-pays qui sont remplis par des sédiments venant de l’érosion de la nouvelle chaîne de montagne. La dernière phase correspond au soulèvement principal de la chaîne qui commence durant le Miocène et est basée sur des sédiments marins trouvés en altitude. Au niveau de l’histoire thermique, nous avons observé une faible schistosité dans la partie centrale du Grand Caucase Oriental. Elle correspond à un métamorphisme de très faible intensité dans des lithologies favorables. Les analyses de traces de fission dans l’apatite (AFT) et de l’indice de cristallinité montrent une augmentation du métamorphisme en partant du front orogénique nord de la chaîne vers la partie centrale. Elles montrent également une diminution du métamorphisme en partant de la partie centrale vers l’ESE en suivant la crête principale de la chaîne. Les modèles temps-températures des AFT et les courbes de subsidences montrent tout un enfouissement rapide au Jurassique Moyen-Supérieur et elles se terminent par une rapide exhumation au Miocene-Pliocene. La partie nord est caractérisée par un événement intermédiaire d’exhumation-enfouissement qui commence au Crétacé Supérieur et se termine au Miocene Moyen. En combinant les études structurales et géomorphologiques dans le Grand Caucase Oriental avec la littérature et des études SIG sur d’autres régions du Grand Caucase, nous avons pu étendre à ce dernier les structures découvertes dans la partie orientale. Le « Main Caucasus Thrust » (MCT ou chevauchement principal du Caucase) est un chevauchement qui coupe d’ouest en est la chaîne de montagne. La zone topographique élevée du Grand Caucase est limitée au sud par le MCT qui montre un déplacement important vers le sud et au nord par des failles retro-chevauchantes vers le nord. Ces failles sont liées à un système de rampe vers le sud dont le MCT est la composante principale. La migration de le MCT vers le sud pendant le Tertiaire est responsable de la formation successive de bassins d’avant pays caractérisés par des hauts topographiques, des rivières déviées et des vallées asséchées. Le comportement géodynamique entre l’est et l’ouest du Grand Caucase n’est pas identique. C’est principalement dû à différents facteurs comme la diminution de la convergence de plaque d’est en ouest, l’affleurement du socle uniquement dans la partie occidentale et le magmatisme et volcanisme récents dans la partie centrale et occidentale.