Les Alpes sont-elles encorevivantes

272 Pages·2004·40.5 MB·French

Thèse
présentée par
Bastien DELACOU
pour obtenir le titre de Docteur de
l’Université de Neuchâtel
et de l’Université de Nice Sophia-Antipolis
(cotutelle Suisse / France)
Tectonique et géodynamique actuelle de l’arc alpin
- Approche sismotectonique et modélisation numérique -
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Soutenue le 9 décembre 2004 devant le jury composé de :
S. Schmid rapporteur
L. Jolivet rapporteur
N. Deichmann examinateur
B. Delouis examinateur
A. Kalt examinatrice
C. Sue directeur de thèse (Neuchâtel)
M. Burkhard directeur de thèse (Neuchâtel)
N. Béthoux directrice de thèse (Nice)
...

Parle à la terre, et elle t’enseignera.
Job, XII, 8, (IVème siècle av. J. C.). Bible
à Daphné & Karine ...
... à mes parents et à ma sœur ...
...
Avant-propos
Avant tout, je tiens à remercier JD Champagnac, tout d’abord pour m’avoir aiguillé sur
ce projet de thèse, et ensuite pour la collaboration fructueuse que nous avons tous deux réussi
à mettre en place tout au long de ces 4 années de thèses ‘communes’... merci donc, en espérant
qu’un jour futur, nous puissions encore effectuer des recherches ensemble. Merci aussi pour les
jours de terrain passés ensemble, qui m’ont beaucoup appris.
Ensuite, je remercie Christian Sue qui, sous la direction de Martin Burkhard, a pris
l’initiative de proposer le présent projet de thèse pour un financement du Fonds National Suisse
pour la Recherche Scientifique. Il faut de plus ajouter qu’il était particulièrement audacieux à
Christian, à peine 2 ans après la fin de sa thèse, de proposer 2 projets de thèse (Jean-Daniel et
moi). J’espère pour ma part avoir été à la hauteur de ses espérances. En tout cas, je le remercie
de nous avoir encadré comme il l’a fait, à sa manière propre qui, je pense, a été fructueuse.
Un grand merci aussi à toutes les personnes avec qui j’ai collaboré, en particulier
Nicolas Deichmann à Zürich, qui m’a énormément appris dans le domaine de la Sismologie
ainsi qu’à Nicole Béthoux, qui m’a chaleureusement accueuilli à Nice dans le cadre de la
cotutelle réalisée avec la France. Merci aussi à Pierre Tricart, co-directeur de thèse de Jean-
Daniel, qui, après nous avoir enseigné les bases de la Géologie Structurale à Grenoble, nous
a beaucoup apporté pendant ces thèses, en particulier sur le terrain. Merci encore à Joseph
Martinod, qui m’a aidé dans la réalisation des calculs géodésiques et sans qui cette partie du
travail n’aurait pas pu être réalisée.
Je sais gré à Stephan Schmid, Laurent Jolivet, Nicolas Deichmann, Bertrand Delouis et
Angelika Kalt de m’avoir fait l’honneur de juger ce travail.
Je suis de plus reconnaissant à toutes les personnes qui m’ont permis de m’«intégrer»
à Neuchâtel, dans une ambiance chaleureuse et conviviale. Merci donc à tous les étudiants que
j’ai pu encadrer en TP ou sur le terrain, merci à Thierry Adatte et Martin Burkhard d’avoir si
bien organisé les excursions au Mexique et au Maroc, un grand merci aux secrétaires Sabine
Erb et Gianfranca Cerrito, d’une efficacité sans reproches, merci à Kaspar Arn et un merci tout
spécial à Baba et Nathalie pour l’amitié, réciproque, qu’ils me portent. Et puis bien sûr, je suis
reconnaissant à toutes les personnes qui ont partagé avec moi le bureau E009: Séverine Caritg,
Urs Helg, Laurent Ciancaleoni et Cécile Allanic (bon courage pour ta thèse).
Enfin, une pensée particulière à ma fille Daphné, née pendant la réalisation de cette
thèse, et à ma femme, Karine, qui a toujours su me supporter dans les moments difficiles, ainsi
qu’à mes parents et à ma sœur...
...
Liste des figures
Introduction
Figure 0-1: Chaînes alpines au sens large résultant de la fermeture du système océanique téthysien ... p. 4
(Paléotéthys, Néotéthys, Téthys Alpine) formant un système orogénique continue depuis l’Himalaya
jusqu’au Pyrénées.
Figure 0-2: Histoire géodynamique alpine : du rifting à l’ouverture océanique (d’après Marthaler, 2001). ... p. 5
Figure 0-3: Histoire géodynamique alpine : subduction océanique puis continentale (d’après Marthaler, ... p. 7
2001).
Figure 0-4: Histoire géodynamique alpine : collision (d’après Marthaler, 2001). ... p. 9
Figure 0-5: Carte (a) et coupes (b) tectoniques de l’arc des Alpes centrales/occidentales (d’après Schmid et ... p. 11
al., 2004a).
Figure 0-6: Carte de risque sismique des chaînes alpines au sens large (d’après Giardini et al., 1999). ... p. 12
Figure 0-7: Exemples de séismes destructeurs ayant affectés les Alpes centrales et occidentales et leur avant ... p. 13
pays.
Figure 0-8: Cartes de sismicité historique sur le domaine français (réseau SISMALP, Thouvenot et al., 1990) ... p. 14
et le domaine suisse (réseau SED, catalogue ECOS, Fäh et al., 2003 ).
Figure 0-9: Sismicité alpine analysée par Rothé en 1942 définissant les arcs sismiques Briançonnais et ... p. 15
Piémontais.
Figure 0-10: Premières études de la mécanique de la sismicité, établissant le caractère radial en éventail des ... p. 16
axes compressifs, suivant la géométrie arqué de la chaîne.
Figure 0-11: Etudes sismotectoniques locales/régionales (a : Eva et al., 1998; b : Sue et al., 1999; c : Baroux ... p. 19
et al., 2001; d :Kastrup, 2004) mettant en évidence l’importance des mécanismes de déformation
extensifs dans l’ensemble de la chaîne.
Chapitre I
Figure I-1-1: Geological and seismological settings of the Chablais area. The two studied Bonneveaux and ... p. 29
Samoëns earthquakes are highlighted and plotted with their associated focal mechanisms. Note the
quite numerous amounts of felt earthquakes (white circles, ECOS catalog) in a region where the
seismicity is considered low to moderate.
Figure I-1-2: Location of seismic stations used in this study. Grey dots: stations used for the study of the ... p. 30
Bonneveaux earthquake. White dots: stations used for the study of the Samoëns earthquake. Black
dots: stations used for both studies. Underlined station names: stations used for the cross-correlation
study of the Samoëns seismic sequence.
Figure I-1-3: Ray-trace model in a N-37° azimuth from the Bonneveaux earthquake. This model, with a ... p. 31
focal depth of 17 km, represents the best-fit between observed (diamonds) and calculated (black
crosses) travel times. Pg (direct), PmP (reflected on the Moho) and Pn (refracted on the Moho) phases
are shown.
Figure I-1-4: Calculated focal mechanism of the Bonneveaux earthquake. Black dots: positive arrivals. ... p. 31
White dots: negative arrivals.
Figure I-1-5: Calculated focal mechanism of the Samoëns main shock. Black dots: positive arrivals. White ... p. 32
dots: negative arrivals.
Figure I-1-6: Examples of time-cross-correlations at the stations OMV (Pg phase), OG05 (Sg phase) and ... p. 33
GRN (PmP phase). The cross-correlation function (CC, lower diagrams) is calculated for the phases
of couples of events (two upper diagrams) by shifting in time the signals. The resulted time-shift,
which is used for the relocation of the events, is Delta (ms).
Figure I-1-7: Relative locations of the Samoëns seismic sequence with respect to the event n°7 (black star) ... p. 34
calculated from the time-cross-correlation study, in map view (left upper box), cross sections (left
middle: N-S section, left lower: E-W section) and 3D view (right). The doted lines represent the best-
fit plane (N-261°/82).
Figure I-1-8: Stress field and active faulting of the NW Alps (synthesized from Maurer & Deichmann, ... p. 35
1995; Thouvenot et al., 1998; Delacou et al., 2004; Kastrup et al., 2004). Grey: active faults revealed
by seismic relative locations. Thick black lines: seismic alignments. Thin black lines: possible
active faults (recognized on the field, with no proven activity). Doted lines: supposed active faults
(corresponding to the seismotectonics, with no surface expression). Black/white arrows: calculated
σ1/ σ3 stress axes from inversion of focal mechanisms. Bon: Bonneveaux earthquake (the 2 nodal
planes are shown). Sam: Samoëns fault (see Fig. 8).
Figure I-2-1: Seismicity map of the western/central Alps showing only the database used in this paper, ... p. 43
namely, the earthquakes for which a reliable focal mechanism is available. This synthetic data base
of 389 events recorded between 1969 and 2000 presents the overall features of the classical seismic
maps for the Alpine belt: near-aseismic areas (e.g. Lepontin dome, Vercors), areas of diffuse activity
(e.g. Provence, front of Belledonne massif, eastern Switzerland), and concentrated active zones (e.g.
‘so-called’ Briançonnais and Piemontais arc, Valais, Basel area). The size of the symbols is related to
the local magnitude. The geological color caption is given by the schematic paleogeographic cross-
section.
Figure I-2-2: Seismotectonic map of the western Alps (A) showing the whole database used in this study. ... p. 44
The color code of the focal mechanisms corresponds to their depth, and ranges from the blue for
the shallower ones to the red for the deeper ones (up to 35 km beneath the swiss molass basin). The
cross-sections (B) are drawn from the recent crustal re-interpretations of the ECORS-CROP and
NRP20-West profiles by (Schmid and Kissling, 2000), and by (Calais et al., 2000) for the Ligurian
margin. These key sections illustrate the upper-crustal seismicity in the belt (within the 15-20 first
km), and the locally deep seismicity under the forelands. Strike-slip mechanisms are found in the
whole belt. Reverse faulting is limited to its periphery, whereas extension characterizes the tectonics
of the internal zones. The histogram (C) show the depth distribution related to the deformation type
for the whole database. See figure 1 for the geological caption.
Figure I-2-3: Regionalization of the deformation in the Alpine realm (r-parameter, based on the P/T-axes ... p. 46
dips, see text) in map and cross-sections. The color code corresponds to the type of deformation
(shortening in red, extension in blue, strike-slip in green). Small circles are observed focal mechanism
drawn with their own color code. The background color comes from the interpolation of the type of
deformation known where focal mechanisms are available. A mask (areas with no color) is put on
areas placed at a distance greater than 55km from the nearest earthquake. This interpolation shows
that extension prevails in the core of the belt, whereas shortening areas remains pretty local and
limited to the border of the belt.
Figure I-2-4: P- and T-axes fields. Thick lines represent observed P- (left map) and T-axes (right map) at ... p. 47
focal mechanisms locations. Thin lines represent interpolated axes. The lengths of axes are inversely
proportional to their dips (as projected on the horizontal plane). Note the regionally stable orientation
of axes.
Figure I-2-5: Map of the Alpine strain/stress states. The stress tensors have been inverted in homogeneous ... p. 48
areas of deformation determined using the regionalization drawn Figure 3. Each tensor is presented
with the code of the area of inversion (see Table 1 and Appendix B), a black arrow for horizontal σ,
1
and an open arrow for horizontal σ. The thin red lines correspond to the interpolation of the P-axes
3
for transpressive to compressive areas, and the large blue lines correspond to the interpolation of the
T-axes for transtensive to extensive areas (see Fig. 4).
Figure I-2-6: 3D-view of the regionalization of the Alpine deformation. The map of deformation is draped on ... p. 51
a smooth digital elevation model (average topography with a radius of 25km). Continuous extensive
zone perfectly correlates with high average topography. Localized external compressive/transpressive
zones locate at the bottom of high topographic gradients.
Figure I-2-7: Synthetic 3D-splited-bloc of the western Alps showing both the state of stress (inversion) and ... p. 52
the deformation state inside the whole belt. The contrasted tectonics between inner and outer areas of
the chain and the role of topography and deep structures of the belt are underlined.
Chapitre II
Figure II-1-1: Seismotectonic overview of the study area (Delacou et al., 2004). ... p. 72
Top: Left: Digital elevation model and geological contours. Note correspondence between
topographically high areas and extensional zones of deformation (bottom map). Right: Regionalization
of deformation draped on smooth DEM (radius 25km). Note extension in inner areas that follows
crest of belt and localized compressive/transpressive areas at feet of topographic gradients.
Bottom: Strain and stress fields of the Alpine realm. Background colour represents type of deformation,
small coloured lines represent earthquake P-axes (red) and T-axes (blue), black arrows are σ1 axes
and white arrows σ3 axes. Note the orogen-perpendicular pattern of both tensile axes (in the core of
the belt) and compressive axes (in external areas).
Figure II-1-2: Grid and configuration in our finite element models. ... p. 75
Models have 295 elements, regularly spaced in the area of the western/central Alps. Bold lines
inside models represent faults: Pennine Front (PF), Simplon fault (Si) and Periadriatic Line (PL).
Aa: Aar external crystalline massif, Ar: Argentera external crystalline massif, B: Belledonne external
crystalline massif, Br: Briançonnais area, Di: Digne nappe, G: Grisons, H: Helvetic zones J: Jura
fold and thrust belt, Le: Lepontine dome, Li: Ligurian margin, M: Molasse basin, Mb: Mont-Blanc