Correction to "Extreme crustal thinning in the Bay of Biscay and the Western Pyrenees: From observations to modeling"

N/

Extreme crustal thinning in a transtensional setting,The example of bay of Biscay-Western Pyrenees

Le Golfe de Gascogne s'est ouvert à l'Aptien-Albien en contexte transtensif et constitue aujourd hui un bassin océanique en forme de V. A la pointe de ce système de propagation océanique plusieurs bassins de rift, présentant des évidences d'amincissement crustal extrême se sont formés (bassins de Parentis, Arzacq-Mauléon et Cantabrique). Au cours de la compression pyrénéenne active entre le Santonien et l'Oligocène, les bassins méridionaux de Mauléon et Cantabrique ont été fortement réactivés et intégrés dans la partie occidentale des Pyrénées. Au contraire, au nord-ouest le bassin de Parentis a été peu réactivé permettant ainsi la préservation des structures de rift. Ce contexte permet d'étudier les processus permettant d'amincir la croûte et la chronologie de ces événements à l'aide d'observations géologiques dans le bassin de Mauléon et en utilisant des données géophysiques et de forages dans les bassins de Parentis et d'Arzacq.Dans ce travail, je décris à partir d'une approche multidisciplinaire et multi-échelle les structures de rift observées à l'échelle de l'affleurement et du bassin et je propose un modèle numérique capable de décrire l'évolution du système dans le temps et l'espace. Les résultats principaux sont :1) l'identification d'un détachement qui exhume au fond de la mer des roches issues de la croûte moyenne et du manteau;2) la reconstruction et la réinterprétation de l'évolution du rifting dans le Golfe de Gascogne : celui-ci présente une évolution polyphasée initiée par une phase d'étirement (Trias-Jurassique) qui se poursuit par une phase transtensive active entre le Jurassique terminal et l'Aptien inférieur. Celle-ci a fortement influencé le développement des phases postérieures d'amincissement et d'exhumation en préstructurant le système;3) la mise en évidence de la forte influence des couches ductiles présentes dans la croûte (croûte moyenne) et dans les sédiments (sel triasique) sur la structuration du rift et la géométrie des bassins.Enfin, il est clair que l'héritage de cet épisode de rifting joue un rôle majeur dans la réactivation et la formation de l'orogène pyrénéen.The Bay of Biscay represents a V-shaped oceanic basin that opened in Aptian-Albian time within a transtensional setting. In front of this propagating ocean several rift basins preserve evidence for extreme crustal thinning (e.g. Parentis, Arzacq-Mauleon, Cantabrian basins). During the subsequent Pyrenean compression in Santonian to Oligocene time, the southern Mauleon and Cantabrian basins were strongly reactivated and became part of the western Pyrenees meanwhile the Parentis basin located further to the northwest, was only weakly reactivated and preserved the major structure related to rifting. This situation enables to study the processes and timing of extreme crustal thinning with geological methods on land (southern Mauleon basin) and in using geophysical and drilling data in the northern Arzacq and onshore in the Parentis basin.In my study I was able to describe, based on a multidisciplinary and multiscale approach the rift structures from the outcrop to the basin scale and to propose a numerical model that can describe the evolution of these basins in time and space. The major results obtained are:1) the discovery and proposition that mantle and mid crustal rocks were exhumed along top-basement detachment faults to the seafloor;2) the reconstruction and reinterpretation of the rift evolution in the Bay of Biscay showing a polyphase evolution that initiated with a stretching phase (Triassic-Jurassic) continued in a transtensional phase occurring between latest Jurassic to Early Aptian time and playing a major rule in pre-structuring the area during final thinning and exhumation in Aptian to Albian time;3) the finding that ductile layers in the crust (middle crust) but also in the sediments (Triassic salt) are important in controlling the final rift structures and basin geometries.Finally, it is clear that the rift-related inheritance played a major role during reactivation and formation of the Pyrenean orogen

L'évolution tectono-sédimentaire du système "Golfe de Gascogne/Pyrénées Occidentales" au Crétacé inférieur : un nouveau regard

International audienceLa reconstruction paléogéographique de l'Ibérie et de l'Eurasie au Crétacé inférieur ainsi que la cinématique qui en découle restent aujourd'hui très controversées. Deux modèles opposés sont présentés. La première reconstitution (Fig. 1.a ) réalisée par Olivet (1996) utilise la superposition des anomalies magnétiques M0 et propose un grand mouvement de décrochement sénestre de l'Ibérie le long de la faille Nord Pyrénéenne. Dans ce modèle, les bassins extensifs crétacés, présents dans le domaine pyrénéen (bassin de Parentis, Bassin d'Arzacq, bassin de Mauléon, ...), se sont formés dans un contexte décrochant et sont donc des bassins en pull-appart. Dans le second modèle (Fig. 1.b ), Sibuet (2004) et Srivastava et alii (2000) ont essayé d'introduire le maximum de contraintes en considérant les anomalies magnétiques observées au-delà de M0 (jusqu'à M17). Cette reconstitution prend ainsi en compte l'existence d'une zone de transition (Boillot et alii, 1987), entre la croûte océanique et la croûte continentale et minimise le déplacement latéral de l'Ibérie proposé par Olivet (1996). Dans ce modèle, le Golfe de Gascogne s'ouvre à l'Albo-Aptien selon un mode en ciseaux avec un pôle de rotation localisé au Sud-Est du Golfe de Gascogne. Ce mode d'ouverture induit une propagation vers l'Est de plusieurs bassins en extension, relayés par des failles transformantes orientées Nord-Sud. Ces deux modèles ont des implications très différentes à l'échelle de la plaque ibérique (cinématique et relation entre l'Ibérie et l'Eurasie en cours du Crétacé), mais également à une échelle plus régionale sur la géologie du Sud-Est et du Sud-Ouest de la France. Un des objectifs consiste à trouver des éléments géologiques permettant de tester ces deux hypothèses. Des travaux récents ont été menés aux limites de la plaque ibérique, d'une part à l'ouest, sur la marge ibérique (Péron-Pinvidic, 2006) et d'autre part en Provence (Leleu, 2005). À partir de l'étude de l'évolution spatiale et temporelle de structures de rifting (cartographie 3D), les travaux de G. Péron-Pinvidic ont permis d'imposer de nouvelles contraintes sur les processus et la cinématique associée à l'ouverture de l'Atlantique et la séparation de la plaque Nord-Américaine à la fin de l'Aptien (112 Ma). Les travaux de S. Leleu, mettent en évidence des découplages à partir du Campanien, entre le système Corse-Provence et les systèmes pyrénéen et alpin par le jeu de grandes transformantes telles les failles des Cévennes, de Nîmes ou de la Durance. Ces résultats ont donc des implications importantes sur l'évolution du système Golfe de Gascogne-Pyrénées occidentales jusqu'à l'Aptien (avant 113 Ma) puis au-delà du Campanien (après 71 Ma), avec notamment la cinématique alpine et le début de la convergence entre les plaques ibérique et européenne. Dans cette étude, nous avons donc décidé de nous focaliser sur le système Golfe de Gascogne-Pyrénées occidentales, zone géographiquement intermédiaire aux deux précédents domaines afin de compléter la compréhension de l'ensemble du système alpin et sa relation avec l'ouverture de l'Atlantique. De plus, l'étude de l'histoire crétacée des bassins extensifs présents dans ce système (Parentis et Mauléon) permettra de mieux comprendre l'évolution cinématique du système au Crétacé supérieur. Ce travail a donc pour objectif d'apporter certains éléments de réponse aux incertitudes persistantes sur l'évolution cinématique des plaques ibérique et européenne au Crétacé et plus particulièrement d'étudier les processus de déformation (amincissement et réactivation) et l'enregistrement sédimentaire des deux bassins crétacés de Mauléon et de Parentis. L'étude de ces deux bassins, l'un affleurant (le bassin de Mauléon), l'autre en mer (le bassin de Parentis) permet d'utiliser une approche pluridisciplinaire (géophysique marine et géologie). Des données de sismique réflexion couplées aux données de forages sont exploitées pour l'étude du bassin de Parentis ; celles-ci permettent d'évaluer et de comprendre la subsidence tectonique qui a affecté ce bassin lors de sa formation. Dans le bassin de Mauléon, ce sont essentiellement des données de terrain (stratigraphie, sédimentation, ...) qui sont utilisées afin de mieux comprendre l'histoire sédimentaire de ce bassin et la subsidence thermique associée. Par ailleurs, les données géophysiques (gravimétrie, sismique...) permettront de caractériser la nature même de ces bassins (bassins en pull-apart crées le long de décrochements Est-Ouest ou bassin extensifs relayés par des décrochements Nord-Sud). Enfin, ces observations seront confrontées à un modèle numérique complexe de rift polyphasé (Lavier et Manatschal, 2006) afin de tester le modèle d'amincissement et de vérifier le processus d'étirement proposé. Par ailleurs, les résultats préliminaires d'une première mission de terrain montrent l'importance de l'amincissement crustal et suggèrent l'exhumation locale du manteau dans le bassin de Mauléon. Celle-ci est associée à une forte subsidence au centre et une migration de la déformation vers les bordures du bassin (Canérot, en préparation). Ces observations, associées à une réinterprétation des coupes sismiques du bassin de Parentis, soulèvent de nouvelles questions sur l'évolution tectonique du domaine pyrénéen

3D architecture of a complex transcurrent rift system: The example of the Bay of Biscay-Western Pyrenees

International audienceThe Parentis and Arzacq-Mauleon basins located in front of the V-shaped oceanic propagator in the Bay of Biscay present evidence for extreme crustal thinning. In this paper we investigate the 3D structure of these rift basins, based on field observations and the interpretation of seismic data. We compare these results with those obtained from two different and independent inversion methods: first a 3D gravity inversion and second the standard Euler deconvolution.;For the Mauleon Basin our results show that the positive gravimetric anomaly identified above its southern margin is the consequence of two shallower high density bodies that are separated by the Pamplona fault and a deeper high density body. The high density bodies can be explained by the presence of mid-crustal and mantle rocks that were exhumed or uplifted at shallower depth during Early Cretaceous rifting before they were reworked and integrated to the Pyrenean chain during compression phase. Also, during this reactivation phase, some slices of the exhumed mid-crustal and mantle rocks were sheared off and were integrated in the present-day thrust belt in the Mauleon basin. For the Parentis Basin we can demonstrate, based on seismic data and gravimetric inversion methods, a decrease in extension from west to east, which is compatible with the V-shape geometry of the overall basin. Along strike, a change in the fault geometry from downward concave top-basement detachment faults to upward concave high-angle faults can be observed eastwards, i.e. towards the termination of the basin. A key structure, controlling the evolution of the Parentis Basin, is the east-west trending Ibis fault. We interpret this fault to have initially formed as a strike slip fault before it was reactivated during later crustal thinning. At present, it forms the limit between an upper plate sag basin to the north and a lower plate sag basin, floored at least locally by a top-basement detachment faults to the south. The strong asymmetry of the basin is supported by the shape of the basin and the results of standard Euler deconvolution

Localization and delocalization of deformation in a bimineralic material

We investigate how localization and delocalization of deformation occurs in a bimineralic material composed of a strong plagioclase and a weaker quartz phase. We perform numerical, meter-scale shear experiments in which we vary the temperature and the ratio of the two mineral phases. Three micromechanical deformation fields are identified according to the mechanical behavior of the minerals at play (brittle or ductile when both phases are in the brittle or ductile regime, respectively, and semibrittle when one phase is in the brittle and the other in the ductile regime). Besides these micromechanical deformation fields, we identify three deformation types characterizing the degree of localization (type I: localized shear zone, type II: localized anastomosing shear zone, and type III: delocalized shear zone). Type I is expected in the brittle deformation field. In the semibrittle field, all deformation types can be observed depending on the amount of weak phase present. In the ductile field, deformation is dependent on the strength ratio between the two phases. For a low strength ratio, deformation of type III is always observed. For high-strength ratios, deformation of type II can be observed for a moderate amount of weak phase. A small amount of weak phase (This article is published as Jammes, Suzon, Luc L. Lavier, and Jacqueline E. Reber. "Localization and delocalization of deformation in a bimineralic material." Journal of Geophysical Research: Solid Earth 120, no. 5 (2015): 3649-3663. DOI:10.1002/2015JB011890. Posted with permission.</p

Potential role of lithospheric mantle composition in the Wilson cycle: a North Atlantic perspective

International audienceAlthough the Wilson cycle is usually considered in terms of wide oceans floored with normal oceanic crust, numerous orogens result from the closure of embryonic oceans. We discuss how orogenic and post-orogenic processes may be controlled by the size/maturity of the inverted basin. We focus on the role of lithospheric mantle in controlling deformation and the magmatic budget. We describe the physical properties (composition, density, rheology) of three types of mantle: inherited, fertilized and depleted oceanic mantle. By comparing these, we highlight that fertilized mantle underlying embryonic oceans is mechanically weaker, less dense and more fertile than other types of mantle. We suggest that orogens resulting from the closure of a narrow, immature extensional system are essentially controlled by mechanical processes without significant thermal and lithological modification. The underlying mantle is fertile and thus has a high potential for magma generation during subsequent tectonic events. Conversely, the thermal state and lithology of orogens resulting from the closure of a wide, mature ocean are largely modified by subduction-related arc magmatism. The underlying mantle wedge is depleted, which may inhibit magma generation during post-orogenic extension. These end-member considerations are supported by observations derived from the Western Europe–North Atlantic region

Impact of mafic underplating and mantle depletion on subsequent rifting: a numerical modeling study

International audienceOrogenesis in the Variscan belt of Western Europe was followed by a major magmatic event during the Permian that formed a mafic lower crust by crystallising pyroxenite and gabbros from mantle-derived melts at the base of the continental crust. Partial melting of the asthenosphere left a significantly depleted mantle that was progressively incorporated into the subcontinental lithospheric mantle as the orogenic domain cooled. The potential impact of such large-scale thermal and lithologic layering has never been taken into account in the study of the Alpine Tethys and North Atlantic rift systems that developed subsequently in Western Europe. Here we investigate via numerical modeling how a mafic heterogeneity within the lowermost part of a quartzo-feldspathic continental crust and/or a zone of depleted mantle within the lithospheric mantle beneath a former orogenic domain could have influenced subsequent rifting. Our numerical modeling results indicate that, in a thermally equilibrated lithosphere, a mafic body within the lower continental crust or a zone of shallow depleted mantle prevents rifting of overlying weaknesses (e.g. faults, suture zones). We propose that the regional mafic lower crust beneath the Variscan orogenic domain may explain why the Tethyan and southern North-Atlantic rift systems did not localize at former suture zones of the Western European orogenic lithosphere