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Nicolas BEAUDOIN - Habilitation à Diriger des Recherches à 14h00 - Amphithéâtre H - Bâtiment des Sciences de l'UPPA - Pau« Contribution de l'étude des structures à méso-échelle dans la compréhension de l'histoire de la déformation et des interactions fluide-roche associées dans les chaînes plissées»

Le 2 décembre 2022

Résumé en anglais et en français

The deformation in the upper crust is accommodated by various mechanisms, some being brittle like failure, other being ductile like folding, or viscous like pressure solution. From this variety of mechanisms result a variety of structures at all scales, ranging from the twinning at the crystal scale to the folding at the scale of the sedimentary cover, or thrusting at the scale of the crust. The focus on spectacular structures such as folds and thrusts led to countless studies that defined structural geology: what is the subsurface geometry and how to relate it to deformation processes. This understanding of the subsurface deformation sparkled interest in other topics bounded to structural geology: how do rocks accommodate the applied deformation in the brittle regime (ca. < 300°C)? What are the reciprocal interaction between geological fluids and rocks in the subsurface? In what extent are these affected by the long-term deformation evolution? Among the best objects to reconstruct the complete evolution of deformation of the upper crust are forelands, were most of the sedimentary succession crops out in folds and along thrust. This HDR presents various methodologies to reconstruct and interpret the evolution of the deformation and related past fluid flow during the evolution of a mountain belt’s foreland fold and thrust belt, using the mesoscale deformation network comprising fractures, bands and stylolites. First, the classic fold-fracture approach is revisited, developing a new paleopiezometer based on stylolite roughness to estimate the magnitude of stress during the deformation history. Combination to geochronology and basin modelling enables to propose a very precise calendar of the deformation, illustrating how the stress distributes and evolve in FTB. Second, the meso-scale deformation network is used to decipher the past fluid system, characterizing what fluids were involved in the rocks, where they were coming from and ultimately picturing the fluid pathways. That approach allows to discuss the tectonics of an area, leading to the concept of geochemistry-assisted structural geology. The potential of understanding fluid rock interactions to reconstruct petrophysics and deformation history is further explored through the question of patterns in mineralogical replacement fronts linked to hydrothermal dolomitization. This integrative approach will be illustrated mainly through cases studies of the Laramide Province (USA) and of the Umbria Marches Apennines (Italy).

La déformation dans la croûte supérieure est accommodée par divers mécanismes, certains cassant comme la rupture, d’autres ductile comme le plissement, ou visqueux comme la pression-solution. Cette variété de mécanismes conduit à une variété de structures observables à toutes les échelles, du maclage cristallin à la flexure de la lithosphère, en passant par les plis et les failles dans les chaînes plissées. L’étude de ces structures de grande échelle a conduit au développement de la géologie structurale : quelle est la géométrie en subsurface et comment l’expliquer par une séquence de déformation. La compréhension de la géologie structurale a soulevé de nombreuses autres questions d’intérêt géologique et sociétale : comment les roches accommodent elles la déformation dans le régime cassant ? Quelle sont les influences réciproques entre les fluides contenus dans les sous-sols et la déformation ? Dans quelle mesure la mobilité de ces fluides est-elle impactée par le développement des structures sur le long terme ? Pour répondre à ces questions, il convient de pouvoir accéder à un enregistrement long terme de la déformation dans la croûte supérieure, et les chaînes plissées d’avant pays sont parmi les meilleurs objets pour ce faire. Cette Habilitation à Diriger les Recherches présente diverses méthodologies pour reconstruire et interpréter l’évolution de la déformation et des fluides associés dans les chaînes plissées, en étudiant le réseau méso-structural, qui comprend fractures, bandes et stylolites. D’abord, la méthode classique d’analyse pli-fracture est revisitée avec le développement de l’outil paléopiézométrique de la rugosité des stylolites, qui permet de quantifier la contrainte passée subie par les roches. En combinaison avec des modèles d’enfouissement et avec de la géochronologie, cette méthode permet de proposer un calendrier très détaillé de la déformation, et de discuter comment évolues les contraintes dans un avant-pays. Ensuite, le réseau méso-structural est utilisé pour reconstruire le système de fluides passés, caractérisé par la nature des fluides et les chemins de migrations suivis. Cela permet de dessiner une image des conduits et de leur évolution à l’échelle de la chaine et du bassin. Cette connaissance nous autorise à discuter l’évolution tectonique régionale, développant le concept de géologie structurale assistée par géochimie. Pour aller plus loin, le potentiel d’étudier les motifs liés aux remplacements minéralogiques pour mieux caractériser les propriétés des roches est questionné dans le cas de la dolomitisation hydrothermale. Cette recherche intégratrice sera principalement illustrée au travers des exemples de la province Laramienne (USA) et de la chaine Apenninique Ombrie Marches (Italie).