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Thèse Année : 1992

Tectonics of the Southern Apennines: structures and paleostresses of a continental accretionary wedge

Tectonique de l'Apennin Méridional: structures et paléocontraintes d'un prisme d'accrétion continental

Tettonica dell'Appennino meridionale; strutture e paleostresses di un prisma di accrezione continentale

Résumé

Structural analysis and paleostress determinations have been carried out for Neogene and Quaternary deformations of southern Apennines. In order to date the major deformation events, particular analyses in Plio-Quaternary conglomerates were developed and the reliability of a chronology criterion was evaluated in detail. Tectonics and paleostresses in the foreland were studied. But the major subject of interest was the chain itself where the mechanism of the deformation, the relative amplitudes of events as well as their ages could be determined in detail. ln carbonate units of the western side of the chain, the main structures are due to North-South compressions. The oldest compressions identified are post-Tortonian. Large-scale Plio-Quaternary nappe movements are important as shown by the presence of sediments of the NN15 nannoplankton zone (end of lower Pliocene) under the allochthon, more than 35 km away from the present nappe front. In the Eastern side of the chain, Plio-Quaternary piggyback basins are present. This model of basins formed and filled while being carried on active thrust sheets is checked in detail herein taking the Lower-Pleistocene Sant'Arcangelo basin as a case study. The structure of this basin is found to be associated with compressional structures only (folds, thrusts and strike-slip faults). Its sedimentary infill is characterized by stratigraphic wedges and migration of depocenters in association with syn-depositional folding. Paleostresses are simply compressional. This recent Sant'Arcangelo piggyback basin is monophase. However, a Pliocene basin (Ofanto) provides an example of a polyphase basin with successive tilts and migrations of depocenters related to compressional tectonics. ln southern Apennines, the association of Plio-Quaternary piggyback basins with folds and thrusts provides information on the structure of deep-seated duplexes and on the age of their formation. Whereas, according to foredeep analysis, one may think that thrusting activity diminished alter the Middle Pliocene, the development of piggyback basins shows that major structuration of the chain still continued during the Pliocene and the Early Pleistocene. Compressional syn-depositional deformation occurred during the epoch of nannoplankton zones NN15, NN16, NN18 and NN19. Three main directions of compression are characterized. A WSW-ENE trending compression, Early Pleistocene in age, affected the whole chain. During the Pliocene and probably the Messinian, NNE-SSW trending compression, following a NNW-SSE trending one, prevailed. A WNW-ESE trending compression, well characterized but without important deformation, could have been contemporaneous of, or subsequent to, the NNE-SSW trending compression. Paleomagnetism data allow to propose that NNW-SSE compression results from anticlockwise rotation of units actually affected by NNE-SSW compression. Moreover, differential rotations of the foreland, as reconstructed by paleomagnetic means, have affected oldest (ante Eocene) directions of compression, presently N120 in the Gargano promontory and N145 in the Murges. To conclude, two principal compressional events affected the chain. One event, with a NNE-SSW trend, is responsible for the main compressional deformations of Southern Apennines during the Upper Miocene and the Pliocene. Another compression, WSW-ENE in trend, Lower Pleistocene in age, is well expressed in the southern part of the area (piggyback basins of Sant'Arcangelo and Metaponto). Three kinds of extensions are characterized. (1) Extensions which have occurred prior to major compressions took place in Middle Miocene (Daunia) and Upper Miocene (Matese). They may reflect flexure processes in foreland units (e. g., Matese). (2). Extensions also occurred contemporaneous with compressional periods, as revealed by relative chronology. Usually, such extensions are perpendicular to the dominating directions of compression, and thus correspond to permutations of stress axes. Observations in Quaternary sediments show that these states of stress can be considered as contemporaneous at the geological times scale (i.e., less than one million years). For example, during the structuration of the Sant'Arcangelo piggyback basin, which occurred under WSW-ENE compressional regime, the Salerne basin opened with NNW-SSE extension and the horizontal maximum stress (1 or 2) had the same direction in both areas. A relation is thus revealed between a mechanism related to the Tyrrhenian opening (i. e., the Salerne basin) and a mechanism related to the shortening of the mountain belt (i. e., the Sant'Arcangelo basin). (3) Extension also occurred after the main compression. This extension trends NE-SW and began after the Early Pleistocene compression. It was contemporaneous with the major uplift of the chain, with the alkaline volcanic activity and with the formation of Middle Pleistocene lacustrine grabens. This extension is still active, as shown by focal mechanisms and by the Irpinia active fault (23 Nov. 1980, earthquake) along which a N15 trending extension is determined. This extension does not seem to be related to the Tyrrhenian opening, unlike previous extensions of different directions. Compressions in Southern Apennines are contemporaneous with Tyrrhenian opening. ln southern Apennlnes as well as ln Calabria, compression parallel to the dip of the Ionian plate is not well expressed, and suggests that subduction is mostly passive. Trends of compressions in Southern Apennines (mainly NNE-SSW) and extensions in Calabria (perpendicular) imply variations in lateral confining pressures between these two areas. These variations are due to the geographic distribution of continental crust domains (mainly coupling) and oceanic crust domains (subduction, and decoupling). The rotation of the direction of compression between the Pliocene (NNE-SSW) and the Pleistocene (WSW-ENE) is compared with the change of location of oceanic accretion (from Vavilov basin to Marsili basin) accompanied with a clockwise rotation of the opening trend (E-W followed by NW-SE). This could correspond to a major change in the direction of drifting of the Calabria Arc. Opening of the Tyrrhenian basin and compression in the Apennines can be considered as due to gravitational effects comparable with those invoked in the case of the Aegean plate. However, in the case of the Tyrrhenian sea, this direction of movement was constrained by the pattern of the continental and oceanic domains. The compression due to Africa-Europe convergence thus necessarily occurred in the remaining trends (NNE-SSW then WSW-ENE).
Dans ce travail, des déformations de l'Apennin méridional sont caractérisées en termes de structures et de contraintes. Il s'agit des déformations néogènes et quaternaires, et en particulier des déformations compressives d'âge plie-quaternaire. Les méthodes utilisées sont celles de l'analyse structurale et de la reconstruction de paléocontraintes à partir de plans striés combinées à l'étude des grandes structures et à des compléments stratigraphiques. Une application particulière des méthodes d'analyse de paléocontraintes est faite dans les matériaux conglomératiques plie-quaternaires, où la fiabilité d'un critère de chronologie relative est mise en évidence. Ce travail a été réalisé pour une part dans l'avant-pays, zone peu déformée se prêtant bien aux analyses de paléocontraintes mais où les séries stratigraphiques ne permettent pas toujours une datation précise des événements tectoniques. L'intérêt s'est porté principalement sur la région déformée de la chaîne, où les structures ont été étudiées, où les paléocontraintes qui leur sont liées ont été reconstruites, où les événements tectoniques ont été datés et leur importance évaluée. Dans les unités charriées de plate-forme carbonatée, les structures majeures sont dues à des compressions sub-mérldiennes. Les déformations compressives les plus anciennes caractérisées sont post-tortoniennes. Elles sont contemporaines d'importants mouvements tangentiels. Par exemple, des sédiments de la zone NN15 du nanoplancton (fin du Pliocène inférieur) se trouvent actuellement sous l'allochtone à plus de 35 km du front de la chaîne. Dans les unités orientales de la chaîne se sont développés des bassins d'âge plio-quaternaire, récemment interprétés comme des bassins "piggyback". Le modèle de bassin "piggyback" formé et rempli de sédiments tandis qu'il est transporté sur une nappe de chevauchement active a été éprouvé dans le bassin de Sant'Arcangelo, d'âge Pléistocène inférieur. Ce bassin est associé à des structures compressives (plis, chevauchements, décrochements). Son remplissage est caractérisé par des éventails sédimentaires et une migration des dépocentres associés à des plis synsédimentaires. Les états de contraintes d'âge pléistocène inférieur montrent un régime uniquement compressif. Il s'agit donc d'un bassin "piggyback" syn-compressif essentiellement monophasé. Ce modèle, vérifié pour le bassin de Sant'Arcangelo, est aussi valable pour d'autres bassins pliocènes dont certains montrent parfois une évolution polyphasée avec basculements successifs et migration de dépocentres dans différentes directions successives. C'est le cas du bassin de I'Ofanto, qui est un bassin "piggyback" polyphasé. De tels bassins "piggyback" (Sant'Arcangelo et Ofanto) sont systématiquement associés à des plis et chevauchements; ils permettent de modéliser la géométrie de duplex profonds et de dater leur formation. Ainsi, bien que l'étude des chevauchements dans l'avant-fosse donne l'impression erronée que les grands déplacements tangentiels sont finis dès le Pliocène moyen, des chevauchements structurent la chaîne pendant tout le Pliocène et le Pléistocène inférieur. L'activité compressive synsédimentaire contemporaine des zones de nanoplancton NN15, NN16, NN18 et NN19 montre par ailleurs que les événements compressifs sont durables et ne correspondent pas à de brèves pulsions. Trois directions de compression principales ont caractérisé les déformations de l'Apennin contemporaines de l'ouverture tyrrhénienne. Ce sont: au Pléistocène inférieur, une compression WSW-ENE caractérisée dans toute la chaîne; au Pliocène et probablement aussi au Messinien, une compression NNE-SSW (contemporaine ou antérieure à une compression WNW-ESE, moins bien exprimée) précédée, pendant la même période du Miocène supérieur-Pliocène, par une compression NNW-SSE. La confrontation des orientations et des âges des paléocontraintes tectoniques avec les données du paléomagnétisme (rotations antihoraires des unités) permet de supposer que les directions de compression NNW-SSE avaient une orientation NNE-SSW avant de subir des rotations. Par ailleurs, des rotations différentielles de l'avant-pays apulien, reconnues par paléomagnétisme, ont affecté les directions de compression anciennes (anté-éocènes) actuellement N 120 dans le massif du Gargano et N 145 dans les Murges. On reconnaît donc deux événements compressifs principaux. Le premier, NNE-SSW, du Miocène supérieur et du Pliocène, est responsable de l'essentiel des déformations compressives de l'Apennin méridional ainsi que de la création de nombreux bassins "piggyback" . Le second, WSW-ENE, d'âge Pléistocène inférieur, est caractérisé dans toute la chaîne, mals ses déformations (chevauchements et plissements) sont majeures dans le Sud (bassins "piggyback" de Sant'Arcangelo et de Métaponte). Trois types d'extensions sont rencontrés. (1) Des extensions antérieures aux compressions sont d'âge Miocène moyen (monts de la Daunia) et d'âge Miocène supérieur (Matese). Elles peuvent être liées à des phénomènes de flexuration d'unités d'avant-pays (Matese). (2) Des extensions sont contemporaines des périodes de compression comme le révèle l'analyse des chronologies relatives. Elles sont généralement orthogonales aux compressions et leur sont liées par des permutations d'axes de contraintes. Des observations faites dans des terrains d'âge quaternaire montrent que ces phénomènes de permutations peuvent être très rapides et les états de contraintes liés par permutation peuvent être considérés comme contemporains à l'échelle des temps géologiques (million d'années). De façon générale, ces permutations trahissent des variations de confinement latéral, local ou régional. Ainsi, pendant que le bassin de Sant'Arcangelo est soumis à une compression WSW-ENE, le bassin de Salerne s'ouvre en distension NNW-SSE et la contrainte horizontale maximale (o1 ou o2) y est de même orientation WSW-ENE. On met ainsi en évidence une relation entre un mécanisme d'ouverture tyrrhénienne à l'Ouest (bassin de Salerne) et un mécanisme de compression à l'Est (bassin de Sant'Arcangelo). La contrainte horizontale maximale a une direction similaire dans ces deux régions. (3) Des extensions postérieures aux compressions, d'orientation NE-SW, ont débuté après la compression du Pléistocène inférieur. Elles sont contemporaines du fort soulèvement de la chaine, de l'intense activité volcanique et de la formation de nombreux grabens lacustres au Pléistocène moyen. Elles sont encore actives comme en témoignent les mécanismes au foyer et la faille active de l'lrpinia (séisme du 23 novembre 1980), pour laquelle une extension N 15 a pu être déterminée. Cette extension ne parait pas liée à l'ouverture tyrrhénienne, contrairement aux extensions contemporaines des compressions qui l'ont précédée et qui d'ailleurs étaient de direction très différente. Les compressions de l'Apennin méridional sont contemporaines de l'ouverture tyrrhénienne. Dans l'Apennin méridional, comme en Calabre, les compressions NW-SE, parallèles au plongement de la plaque ionienne, sont peu exprimées et démontrent que la subduction est passive. Le rapport entre directions de compressions de l'Apennin méridional (principalement NNE-SSW) et directions d'extension en Calabre et sur la marge tyrrhénienne (sub-orthogonale) dénote une variation de confinement latéral entre ces régions, lié à la disposition des zones de croûte continentales (blocage) et océaniques (subduction). La rotation horaire de la direction générale de compression, notamment entre le Pliocène (NNE-SSW) et le Pléistocène (WSW-ENE), est comparée au changement de la position et de l'orientation de l'accrétion océanique (du bassin Vavilov au bassin Marsili), qui s'est fait avec une rotation horaire de la direction d'ouverture (E-W puis NW-SE). Ces rotations pourraient correspondre à un changement de la direction de dérive de l'arc Calabrais. L'ouverture tyrrhénienne et la compression apenninique peuvent être perçues comme un écoulement gravitaire comparable à celui invoqué dans le cas de la plaque égéenne. Néanmoins, dans le cas de la mer tyrrhénienne, l'écoulement est guidé par la disposition des domaines continentaux et océaniques. La compression, liée au rapprochement Afrique-Europe, ne put donc s'exprimer que dans les directions restantes (NNE-SSW puis WSW-ENE).
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Citer

Jean-Claude Hippolyte. Tectonique de l'Apennin Méridional: structures et paléocontraintes d'un prisme d'accrétion continental. Tectonique. Université Pierre et Marie Curie, Paris-6., 1992. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-03637772⟩
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