Tectonique : un nouveau modèle orogénique pour les Andes

Tuesday, 2 March 2010

Depuis l'avènement de la tectonique des plaques qui nous a fourni un modèle global de la dynamique terrestre, on a coutume de distinguer deux types de chaînes de montagnes : celles, comme l'Himalaya, qui sont dues à la collision de blocs continentaux, et celles qui sont dues à la subduction océanique en bordure d'un continent comme les Andes, exemple le plus majestueux et le plus évident. Dans un article paru dans la revue Tectonics des chercheurs de l'Institut de physique du globe de Paris (INSU-CNRS, Paris Diderot) et de l'Université du Chili, remettent en question ce modèle andin impliquant uniquement la subduction. Ils montrent le rôle essentiel dans le processus orogénique d'un système de failles et de plis déversés vers l'Ouest (donc parallèle à la subduction), peu pris en compte jusqu'à maintenant, s'enracinant profondément sous la chaîne et contribuant à sa surrection par un effet de bulldozer.

La subduction ne peut expliquer à elle seule le relief andin


Les Andes constituent lʼune des chaînes de montagnes les plus imposantes de la planète. Elles sont considérées comme l'archétype des chaînes de subduction, c'est-à-dire qu'il est admis que la surrection de cette chaîne longiligne est une conséquence de la subduction de la lithosphère océanique, au même titre que l'activité sismique et volcanique qui caractérise le bord ouest de l'Amérique du Sud.

En fait, la genèse de ce relief imposant reste sujette à débat, car si l'on sait que les zones de subduction sont souvent responsables de lʼaccumulation (accrétion) de sédiments formant de larges prismes bordant les fosses sous-marines, ce processus ne crée généralement ni raccourcissement, ni épaississement suffisant de la croûte de la plaque continentale (sus-jacente) pour engendrer des reliefs comparables à ceux des Andes.

Par ailleurs, les modèles conventionnels expliquent la création des reliefs uniquement par des chevauchements dirigés vers l'Est et l'intérieur du continent, c'est-à-dire parallèle à la subduction, en particulier dans la région de l'Altiplano, dont le lien avec la subduction n'est pas clair.

Les auteurs de cette étude ont voulu réexaminer la genèse des Andes à l'échelle du continent et de la lithosphère. Leurs questions essentielles étaient :

- Quelle proportion de la convergence entre la plaque Nazca et l'Amérique du Sud (~7-8cm/an à lʼheure actuelle) est-elle transmise à la plaque supérieure provoquant son raccourcissement et la construction des reliefs ?

- Par quelles structures géologiques ce raccourcissement se produit-il et quelle en est lʼévolution ?

- Comment sʼest initié le couplage et la mise sous contrainte de la plaque supérieure à même dʼinduire du raccourcissement sur la bordure est de lʼAltiplano, à plus de 800 km de la limite de plaques ?

- Enfin, lʼévolution dʼune chaîne de subduction est-elle vraiment différente de celle dʼune chaîne de collision, ou peut-on décrire un modèle structural et mécanique commun ?

Retour sur le terrain


Pour répondre à ces questions, en associant diverses méthodes (cartographie géologique et géomorphologique, imagerie satellite, datation des escarpements, données sismologiques) ils ont étudié deux coupes au nord et au centre du Chili, depuis le Pacifique jusqu'à l'intérieur du continent. En effet si du Nord au Sud on peut suivre tout le long de la chaîne les mêmes grandes structures avec d'Ouest en Est depuis la fosse de subduction, la marge continentale, une cordillère côtière suivie d'une dépression et la cordillère principale ; le Nord est caractérisé par la présence du grand plateau de l'Altiplano (le second haut plateau après le Tibet, altitude moyenne ~3500 m, largeur maximum d'environ 500 km). L'équipe avait également comme objectif, d'examiner l'aléa sismique auquel est soumis la ville de Santiago du fait de la présence proche de la Faille San Ramon supposée active.

Les Andes Centrales sont encore à un stade juvénile


Coupe de la partie ouest de la Cordillère Principale au niveau de Santiago. La faille de San Ramon marque le front du système de plis et chevauchements se propageant vers l'Ouest. © Armijo et al. 2010

La coupe la plus au Sud est située dans les Andes Centrales à la latitude 33°5 S. La chaîne y est étroite (<100km) et représente pour les auteurs la structure Andine à un stade primaire de son évolution. Elle est caractérisée, sur son bord ouest au-dessus de la ville de Santiago, par un système composé de plis de propagation et du chevauchement actif de San Ramón. Ce système sʼenracine par le biais d'une grande faille très peu inclinée (« rampe et décollement », cf figure) à la base de la série sédimentaire épaisse de 12 km et, plus à l'Est, sous un anticlinal de socle à l'échelle de toute la croûte. Le raccourcissement absorbé par le chevauchement de San Ramón et les plis associés serait de l'ordre de 10 km, depuis 25 millions d'années, ce qui implique une vitesse de glissement moyenne d'environ 0,4 mm par an.

Le rôle de l'effet bulldozer

  • Modèle proposé pour la construction des Andes à 33.5°S, en coupe à l'échelle lithosphérique. Le bulldozer schématise le "moteur" qui crée le relief au-dessus du chevauchement ouest-andin ("West Andean Thrust" ou WAT) et pousse vers l'Ouest les plis et chevauchements. © Armijo et al. 2010
  • Comparaison du modèle avec les données géophysiques : sismicité, profondeur de la base de la croûte (Moho). © Armijo et al. 2010

Cette structure, corroborée par les données sismologiques qui suggèrent en profondeur une rupture de la limite croûte manteau (Moho) permet aux auteurs de proposer un nouveau modèle dʼévolution de la chaîne. Il y aurait en premier lieu lʼinitiation dʼun chevauchement d'échelle lithosphérique, lié à la subduction, équivalent à une subduction intracontinentale naissante. Ce chevauchement produit un redoublement de la croûte et construit ainsi un butoir à même de pousser, tel un bulldozer, la couverture sédimentaire de la plaque supérieure.

L'Altiplano représente un stade évolué de la structure andine


Dans un second temps, les chevauchements dirigés vers l'Est, bien connus sur la bordure est de lʼAltiplano, sont initiés. La chaîne s'élargit alors en croissant surtout vers l'Est pour arriver à la géométrie observée là où elle est la plus large sur la transversale Nord Chili - Bolivie. En effet, en se développant largement ces chevauchements d'orientation opposée (à l'Ouest dirigés vers l'ouest, à l'Est dirigés vers l'Est) créent un système dit à double vergence, un peu comme un éventail, qui construit au milieu un haut plateau (l'Altiplano).

Ainsi dans le système andin, le Nord du Chili - Bolivie, où les reliefs andins atteignent 700 km de largeur, représente un stade évolué de la chaîne, tandis que plus au Sud, la coupe du centre Chili - Argentine en représente un stade juvénile. En dʼautres termes, la déformation sur le bord ouest des Andes Centrales se serait propagée du N vers le S, entre lʼEocène (~40 Ma) et l'Oligo-Miocène (~20 Ma).

Il reste encore sur ces bases à construire un modèle mécanique et à comprendre comment se fait le couplage des plaques au niveau de la subduction pour que s'initient des chevauchement à l'échelle de la croûte ou de la lithosphère similaires à ceux rencontrés dans les chaînes de collision.

Des risques à long terme

Enfin, en ce qui concerne l'aléa sismique de la ville de Santiago, la faille de San Ramón, qui traverse la partie haute de la ville, apparait susceptible de produire des séismes de magnitude importante (Mw 6.9 à Mw 7.4) avec un foyer à faible profondeur (moins de 15km). On trouve d'ailleurs sur le terrain la trace de séismes passés sous la forme d'un escarpement de quelques mètres de haut. La vitesse moyenne déterminée sur la faille, lente, fait que la récurrence (temps moyen entre deux séismes équivalents) de tels séismes serait très longue, entre 2500 à 10000 ans. Bien sûr, l'aléa lié à cette faille s'ajoute à celui lié directement à la subduction, comme vient de le montrer le séisme du 27 février 2010.

Note(s): 
    Ce travail a été soutenu par le programme franco-chilien ECOS-Conicyt, l'Agence Nationale de la Recherche (projet SUBCHILE, ANR Catell) et le projet ICM chilien ''Millennium Science Nucleus of Seismotectonics and Seismic Hazard''.
Source(s): 

The West Andean Thrust (WAT), the San Ramón Fault and the seismic hazard for Santiago (Chile), Tectonics, vol. 29, 2010
Rolando Armijo1, Rodrigo Rauld2, Ricardo Thiele2, Gabriel Vargas2, Jaime Campos3, RobinLacassin1, and Edgar Kausel3

  1. Institut de Physique du Globe de Paris (INSU-CNRS, Paris Diderot)
  2. Departamento de Geología, Universidad de Chile, Chili
  3. Departamento de Geofísica, Universidad de Chile, Chili
Contact(s):
  • Rolando Armijo, IPGP (CNRS-INSU, Paris Diderot)
    armijo [at] ipgp [dot] jussieu [dot] fr, 01 83 95 76 07
  • Robin Lacassin, IPGP (CNRS, Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité)
    lacassin [at] ipgp [dot] jussieu [dot] fr, 01 83 95 76 24