13Anatomie d’une chaîne de montagnes : les Alpes

Le sommet du Cervin est fait de gneiss et de gabbro qui appartenaient autrefois à la marge de l’Apulie, le continent situé du côté de l’Afrique d’un océan disparu. Les pentes situées sous lui sont le fond de cet océan, serpentinite, gabbro et basalte en coussins transformés en éclogite, et plus bas, dans le Mont-Rose voisin, se trouve le bord de l’Europe. En gravissant la pile, on traverse un continent, puis un océan, puis l’autre. Ce chapitre lit les Alpes comme une telle pile : d’où viennent ses morceaux, comment ils ont été empilés, combien de terrain l’empilement a dévoré, et ce que la géophysique voit en profondeur.

Tu sais déjà

Du volume de lycée : collision continentale, suture, raccourcissement d’une couche (la fraction de sa longueur perdue), failles inverses et chevauchements. Du volume de première année : cartes géologiques et coupes ; failles normales, inverses et de chevauchement, plis et vergence ; marges passives ; croûte océanique, laves en coussins et complexe filonien ; marges actives et prisme d’accrétion ; isostasie, racine d’Airy et anomalie de Bouguer ; le bassin d’avant-pays, cité parmi les bassins sédimentaires. Du Chapitre 10 : les faciès à schistes bleus et à éclogites. Du Chapitre 11 : chemins P–T–t, vitesses d’exhumation et métamorphisme de ultra-haute pression.

Définition 13.1 (Orogène)

Un orogène est une bande de lithosphère raccourcie et épaissie par la convergence de deux plaques, avec les roches déformées et métamorphisées qu’elle contient ; la chaîne de montagnes en est l’expression en surface, et la croûte épaissie en dessous, sa racine.

13.1 Un océan disparu

Les Alpes gardent la trace de la fermeture d’océans pendant que les plaques africaine et européenne convergeaient. Le principal est la Téthys alpine, formée de deux branches. Sa branche méridionale, l’océan Piémont–Ligurie, commença à s’ouvrir au Jurassique moyen, quand l’Atlantique central s’ouvrait : la Téthys alpine appartient, par sa cinématique, à l’ouverture de l’Atlantique, à la différence des océans téthysiens plus à l’est. Les radiolarites, boues siliceuses des abysses durcies en roche, puis les calcaires à aptychus, succédèrent au début de l’expansion, et ils signent encore ses vestiges. Une branche septentrionale étroite, l’océan du Valais, s’ouvrit probablement au tout début du Crétacé. Entre les deux s’étendait une bande continentale, le Briançonnais, qui s’amincit vers l’est et est absent des Alpes orientales.

Au nord, l’océan était bordé par la marge passive de l’Europe, objet du chapitre sur les rifts et les marges du volume de première année. Au sud s’étendait l’Apulie : tout le domaine continental situé au sud de la Téthys alpine et au nord de la plus jeune Néotéthys, y compris l’avant-pays qui s’étend aujourd’hui au sud des Alpes. Le sommet du Cervin en est un morceau.

La carte ci-dessous situe la chaîne et les lieux de ce chapitre.

Comment connaître un océan disparu ? Par des morceaux de son fond qui ont échappé à la subduction et ont été pris dans la chaîne de montagnes.

Définition 13.2 (Ophiolite ; séquence ophiolitique de Penrose)

Une ophiolite est un assemblage caractéristique de roches mafiques à ultramafiques, un morceau de lithosphère océanique aujourd’hui retrouvé sur les continents. La séquence ophiolitique de Penrose est l’assemblage complet défini par une conférence de géologues en 1972 ; de bas en haut :

1. un complexe ultramafique de harzburgite, de lherzolite et de dunite, souvent avec une fabrique de déformation acquise à l’état solide ;
2. un complexe gabbroïque, généralement à textures cumulatives ;
3. un complexe de dykes en filons mafiques ;
4. un complexe volcanique mafique, souvent en coussins.

La définition de Penrose fut un consensus, critiqué dès le départ, et reste en général admise. Sa séquence est l’empilement de la croûte océanique et du manteau supérieur rencontré dans le volume de première année : laves en coussins, dykes en filons, gabbro, puis manteau. Les ophiolites ne sont cependant pas un fond océanique ordinaire. La plus grande part de la croûte abyssale, celle des océans larges, est consommée par la subduction ; Coleman soutint que les ophiolites des chaînes alpines et cordillériennes se sont formées surtout aux centres d’expansion de petits bassins océaniques ou entre des arcs insulaires, et que les ophiolites téthysiennes sont nées là où la croûte continentale s’est amincie le long de marges passives jusqu’à l’ouverture d’un petit océan.

Les ophiolites alpines entrent dans ce cadre. Les unités issues de l’océan Piémont–Ligurie sont des reliques de lithosphère océanique et de manteau remonté depuis le dessous du continent aminci, le manteau sous-continental, puis exposé sur le fond marin. Au Chenaillet, dans les Alpes occidentales, la plus belle conservée d’entre elles montre du manteau à nu, des gabbros et une célèbre séquence de basaltes en coussins, sans aucune couverture sédimentaire. La photographie ci-dessous les montre.

Le fond océanique peut être daté là où ses gabbros ont cristallisé. Des zircons de deux métagabbros de l’ophiolite de Zermatt–Saas, sous le Cervin, donnent $164.0 \pm 2.7\,\mathrm{Ma}$ et $163.5 \pm 1.8\,\mathrm{Ma}$, et les sédiments riches en manganèse déposés sur les basaltes sont vieux d’au plus $161 \pm 11\,\mathrm{Ma}$ d’âge : le fond de l’océan Piémont–Ligurie se formait au Jurassique, il y a environ $164\,\mathrm{Ma}$.

13.2 Subduction d’un océan, puis d’un continent

Un océan se referme par subduction. Une partie de son fond finit toutefois au-dessus d’un continent plutôt que sous lui, et certains continents suivent l’océan dans sa descente.

Définition 13.3 (Obduction ; subduction continentale)

Obduction est la mise en place d’une écaille de lithosphère océanique sur une marge continentale, l’ophiolite chevauchant le continent. Subduction continentale est la descente de lithosphère continentale, entraînée par la plaque océanique qui lui est attachée, dans une zone de subduction, après que l’océan situé devant elle a été consommé.

L’obduction s’est produite dans les Dinarides, au sud-est des Alpes : des ophiolites de l’océan jurassique Vardar, elles-mêmes d’âge jurassique moyen, furent poussées au Jurassique supérieur sur un prisme d’accrétion et sur la marge de l’Apulie. On a longtemps cru qu’elle avait aussi mis en place l’ophiolite du Chenaillet, car ses roches ne montrent qu’un métamorphisme alpin de très bas degré. Une étude récente a trouvé des reliques de lawsonite et d’omphacite dans son gabbro et son albitite, ce qui place son pic alpin entre 10 et $11\,\mathrm{kbar}$ et entre 340 et $360\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : le poids d’un empilement de nappes de charriage d’environ 35 à $40\,\mathrm{km}$ d’épaisseur. Les auteurs concluent que le Chenaillet a été subduit et non obduit, un rappel que la lecture d’une ophiolite repose autant sur son histoire métamorphique que sur ses roches.

L’océan s’enfonce

Au Crétacé, la marge méridionale, apulienne, de l’océan Piémont–Ligurie devint une marge active : sa fosse se remplit de schistes et de grès, aujourd’hui les schistes calcaires appelés Bündnerschiefer ou schistes lustrés. Les Alpes orientales gardent aussi la trace d’une collision plus ancienne, la fermeture d’un golfe d’un autre océan, le Meliata, sur l’Apulie, avec un pic de haute pression vers $100\,\mathrm{Ma}$ : les Alpes sont le produit de deux orogenèses, une crétacée et une tertiaire.

L’ophiolite de Zermatt–Saas descendit jusqu’au faciès à éclogite défini au Chapitre 10 : ses éclogites atteignirent 550 à $600\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et 2.5 à $3.0\,\mathrm{GPa}$, et la pression maximale fut atteinte entre 48 et $44\,\mathrm{Ma}$. Une tranche de celle-ci, au lac de Cignana, contient de la coésite et des diamants microscopiques, dans des roches qui étaient des basaltes et des sédiments de fond océanique ; elle atteignit environ $615\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ et $2.8\,\mathrm{GPa}$, et ses zircons datent ce point le plus profond à $44.1 \pm 0.7\,\mathrm{Ma}$. Le fond océanique né il y a $164\,\mathrm{Ma}$ fut subduit, à l’âge de 120 millions d’années, jusqu’à des profondeurs de $90\,\mathrm{km}$ ou plus, puis remonta.

Le continent suit

Une fois l’océan disparu, la marge européenne fut entraînée à sa suite. Les quartzites à coésite du massif de Dora Maira, rencontrés au Chapitre 11, sont de la croûte continentale venue du côté européen de l’océan, qui atteignit plus de $90\,\mathrm{km}$ de profondeur, il y a environ $35\,\mathrm{Ma}$, et revint à la vitesse des plaques. La datation des roches de haute pression à travers la chaîne donne un ordre : la marge apulienne elle-même (zone de la Sésia) au Crétacé supérieur, les ophiolites de l’océan Piémont–Ligurie vers $44\,\mathrm{Ma}$, la croûte continentale européenne à la fin de l’Éocène. Rubatto et ses collègues y voient trois épisodes de subduction se succédant dans le temps, du sud-est au nord-ouest, vers l’Europe.

La collision suivit : l’océan du Valais, dernière bande océanique, se referma durant l’Éocène moyen à supérieur, et dès lors la croûte continentale fut empilée sur la croûte continentale. La figure ci-dessous résume cette succession.

13.3 Nappes de charriage, klippes et fenêtres

Les morceaux d’océan et de continent ne furent pas empilés entiers. Ils furent raclés en fines écailles et transportés très loin.

Définition 13.4 (Nappe de charriage ; empilement de nappes)

Une nappe de charriage est une grande feuille de roches, souvent épaisse de quelques kilomètres et longue de dizaines de kilomètres, transportée le long d’un chevauchement à faible pendage ou dans le flanc inversé d’un grand pli couché, loin de son lieu d’origine ; les roches d’une nappe sont allochtones, celles qui sont restées en place autochtones. Un empilement de nappes est une pile de nappes dans laquelle les nappes situées plus haut viennent en général de plus loin à l’intérieur de l’orogène.

Dans les Alpes, l’ordre d’empilement est la géographie de l’océan disparu retournée, et les unités sont nommées d’après leur origine (tableau ci-dessous).

unité (du haut vers le bas)	origine et roches
nappes austroalpines	marge de l’Apulie au nord de la ligne périadriatique : socle et couverture écailles détachées de leur croûte inférieure
nappes de Margna–Sesia (zone de la Sésia, Dent Blanche)	fragments détachés de la marge apulienne la plus externe lors de l’ouverture de l’océan
nappes penniques supérieures	océan Piémont–Ligurie : ophiolites, manteau exhumé, schistes calcaires
nappes penniques moyennes	la bande continentale du Briançonnais
nappes penniques inférieures	océan du Valais : ophiolites et schistes calcaires
nappes subpenniques	socle européen détaché de sa croûte inférieure
nappes helvétiques	couverture riche en calcaires de la marge européenne proche, détachée de son socle
Alpes méridionales	Apulie au sud de la ligne périadriatique : une chaîne plissée et chevauchante à vergence sud, surtout miocène, de 10 à $15\,\mathrm{km}$ d’épaisseur

La plaque supérieure, l’Apulie, est au sommet ; sous elle viennent, dans l’ordre, l’océan lointain, le Briançonnais, l’océan proche et la marge européenne, les unités les plus basses étant celles qui étaient les plus proches de l’Europe. De grands plis, qui ont replissé les nappes après leur empilement, bouleversent parfois l’ordre, et certaines écailles, comme le Briançonnais, se biseautent le long de la chaîne.

L’érosion découpe ensuite l’empilement, et deux formes apparaissent sur une carte.

Définition 13.5 (Klippe ; fenêtre tectonique)

Une klippe (pluriel : klippes) est un vestige isolé d’une nappe de charriage, laissé posé sur les roches sous-jacentes après que l’érosion a emporté le reste de la feuille ; elle est entourée par son chevauchement de base. Une fenêtre tectonique est un trou creusé par l’érosion à travers une nappe, où apparaissent les roches situées sous son chevauchement de base, entourées par la nappe.

Les Alpes en regorgent. Le Cervin est une klippe : son sommet appartient au système de chevauchement de la Dent Blanche, un lambeau de roches apuliennes posé au sommet de tout l’empilement, dont les gneiss et gabbros d’âge permien reposent sur les ophiolites de la nappe de Zermatt–Saas et de la zone du Combin, qui reposent à leur tour sur les nappes du Mont-Rose et du Grand-Saint-Bernard du côté européen (photographie ci-dessous). Au front septentrional des Alpes occidentales, des nappes de couverture venues de loin à l’intérieur de la chaîne forment les Préalpes romandes et les klippes de la Suisse centrale. Dans les Alpes orientales, deux fenêtres s’ouvrent à travers le couvercle austroalpin : la fenêtre de l’Engadine, où les schistes de l’océan du Valais, à schistes bleus, apparaissent sous les derniers lambeaux du Briançonnais, et la plus grande fenêtre du Tauern, où la marge européenne et des écailles de la Téthys alpine émergent de sous les nappes austroalpines.

Décollements et les deux peaux

Les nappes et les écailles de chevauchement se déplacent sur des surfaces de faiblesse.

Définition 13.6 (Décollement)

Un décollement est une surface à faible pendage le long de laquelle une série de roches se détache de celles qui sont dessous et glisse sur elles, les deux côtés se déformant indépendamment ; elle suit en général une couche faible, telle qu’une évaporite ou une argilite.

Définition 13.7 (Tectonique de couverture et tectonique de socle)

Tectonique de couverture est la déformation d’une couverture sédimentaire détachée de son socle le long d’un décollement basal : la couverture se plisse et chevauche tandis que le socle sous-jacent reste indéformé. Tectonique de socle est une déformation dans laquelle le socle est impliqué, couverture et socle se raccourcissant ensemble, sur des failles qui s’enfoncent dans le socle.

Définition 13.8 (Chaîne plissée et chevauchante)

Une chaîne plissée et chevauchante est une bande de plis et de chevauchements qui raccourcit la partie externe d’un orogène et se propage vers son avant-pays ; les chevauchements remontent du décollement à travers les couches, et les plis croissent au-dessus d’eux.

Les Alpes ont les deux peaux. Les nappes helvétiques sont une chaîne plissée et chevauchante de couverture, les calcaires mésozoïques de la marge européenne proche, détachés de leur socle. Leur base est le chevauchement de Glaris, où les grès rouges permiens reposent sur le flysch cénozoïque. Au Miocène, en revanche, des blocs du socle européen des massifs externes, raccourcis et épaissis (l’Aar, le Mont-Blanc, Belledonne, le Pelvoux et l’Argentera), ont été poussés vers le haut avec leur couverture : un chevauchement en tectonique de socle.

Le Jura, l’arc de crêtes au nord-ouest du plateau suisse, est l’exemple classique de tectonique de couverture. Au Miocène supérieur et au Pliocène, sa couverture mésozoïque a été plissée et chevauchée au-dessus d’un décollement dans les évaporites faibles du Trias moyen et supérieur, tandis que le socle situé dessous, qui se prolonge depuis les massifs externes sous le bassin molassique, n’a pas été impliqué : selon la lecture classique, la poussée venait des massifs externes lointains. La sismologie a depuis ajouté un chapitre de tectonique de socle. Les séismes de Saint-Ursanne en 2000 avaient leur source à moins d’un kilomètre de profondeur et un mécanisme de chevauchement, un chevauchement superficiel actif dans la couverture, tandis que d’autres études trouvent des failles du socle réactivées depuis le Pliocène terminal. Savoir si le Jura est toujours détaché de son socle reste débattu.

Sur le terrain — Lire un contact de chevauchement

Entre Flims et le Walensee, dans l’est de la Suisse, court le chevauchement de Glaris, l’un des plus importants grands chevauchements à faible pendage des Alpes. Le long de celui-ci, les grès rouges permiens, le Verrucano, reposent sur le flysch cénozoïque : des roches bien plus anciennes reposent sur de plus jeunes. Entre les deux, une mince bande de calcaire fortement cisaillée forme le contact : le calcaire du Lochseiten, sur lequel le déplacement, d’au moins 30 à $40\,\mathrm{km}$, s’est concentré. Au XIXe siècle, Heim lut la structure comme deux immenses plis couchés se faisant face ; Escher von der Linth y avait vu un seul chevauchement, et la lecture par chevauchement l’emporta. Un géologue qui rencontre un tel contact vérifie trois points : si des roches plus anciennes reposent sur de plus jeunes, ce qu’aucune stratification ordinaire ne peut faire ; si les couches de part et d’autre sont tronquées au contact ; et si le contact lui-même est une bande de roche cisaillée et recristallisée plutôt qu’un plan de stratification.

13.4 Bassins d’avant-pays : flysch et molasse

Une chaîne de montagnes charge la plaque sur laquelle elle repose, et la plaque se courbe vers le bas devant elle.

Définition 13.9 (Bassin d’avant-pays ; flysch ; molasse)

Un bassin d’avant-pays est un bassin sédimentaire allongé qui se forme entre un orogène et le continent stable situé devant lui, là où la plaque est fléchie par la charge du prisme de chevauchement ; il est le plus profond près du front de chevauchement et est lui-même progressivement chevauché. Le flysch est le remplissage d’eau profonde d’un tel bassin, surtout des turbidites de grès et d’argilites déposées tant que le bassin est sous-alimenté. La molasse est son remplissage ultérieur, marin peu profond et continental, surtout des conglomérats et des grès issus de la chaîne en érosion, déposés une fois que l’apport remplit le bassin.

Le fléchissement est une flexure élastique de la lithosphère, traitée dans un chapitre du volume de troisième année ; ici seul son effet sur le bassin compte. Sinclair décrivit le premier bassin d’avant-pays alpin, d’âge paléocène à oligocène, comme une « trinité sous-alimentée » : calcaires du côté continental, boues hémipélagiques au milieu, turbidites d’eau profonde contre le front de chevauchement. À mesure que les chevauchements avançaient, le bassin suivit leur mouvement : en Suisse, son rivage continental remontait vers le nord-ouest entre 8.5 et $12.9\,\mathrm{mm}$ par an, et le bassin migra avec une forme presque constante sur au moins $210\,\mathrm{km}$ sur la plaque européenne.

Le bassin molassique nord-alpin, qui s’étend des Alpes-Maritimes à Vienne, commença à s’affaisser à la fin de l’Éocène. Le flysch de l’Oligocène inférieur, retrouvé aujourd’hui au sommet des nappes helvétiques, marque un dernier stade d’eau profonde ; de l’Oligocène supérieur au Miocène supérieur, des rivières étalèrent des graviers et des sables continentaux issus des jeunes montagnes. Le nom est ancien : H.-B. de Saussure introduisit le terme molasse en 1779. Le remplissage s’épaissit vers la chaîne : dans le secteur autrichien, jusqu’à plus de $4000\,\mathrm{m}$ au front de chevauchement, et ailleurs dans le bassin, une seule série de conglomérats fluviaux de l’Oligocène supérieur atteint environ $4\,\mathrm{km}$ d’épaisseur. La partie méridionale du bassin a été chevauchée : la bande d’affleurement autrichienne, large d’environ $60\,\mathrm{km}$, représente moins du quart de la largeur ancienne du bassin. La molasse chevauchée elle-même est prise dans les chevauchements, sous forme de molasse subalpine, des tranches de conglomérat pendant vers le sud le long du bord septentrional de la chaîne.

Au sud des Alpes, la plaine du Pô repose sur l’avant-pays adriatique peu déformé des Alpes méridionales. Ses sédiments les plus jeunes, pliocènes et pléistocènes, recouvrent en partie les structures alpines en discordance et sont en partie déformés par les derniers chevauchements des Alpes méridionales et des Apennins.

13.5 Lire l’histoire : coupes et géophysique

Une carte montre où se trouvent les unités ; une coupe montre comment elles se disposent en profondeur, et elle peut être testée.

Définition 13.10 (Coupe équilibrée)

Une coupe équilibrée est une coupe de roches déformées, tracée parallèlement à la direction de transport, qui peut être restaurée dans un état non déformé géologiquement raisonnable sans gain ni perte de roche : les longueurs des niveaux repères et les aires des unités rocheuses de la coupe se conservent entre l’état déformé et l’état restauré.

La restauration est ancrée par des lignes d’ancrage, lignes traversant les couches aux extrémités de la coupe, choisies là où les roches n’ont pas glissé les unes contre les autres.

Proposition 13.11 (Équilibre des longueurs et des aires)

Entre deux lignes d’ancrage distantes de $l$ dans l’état déformé, soit un niveau repère de longueur $l_0$ mesurée le long du niveau, et une couche d’épaisseur initiale $t$ une aire de section $A$. Si la longueur et l’aire se conservent dans le plan de la coupe,

1. le niveau mesurait $l_0$ avant la déformation, le raccourcissement vaut $e = 1 - l/l_0$ et la distance de raccourcissement $S = l_0 - l$ ;
2. la longueur restaurée de la couche est $l_0 = A/t$ ;
3. si un horizon repère se trouve à une profondeur $d$ au-dessus d’un décollement plat, l’aire de roche soulevée au-dessus du niveau initial du repère, son aire excédentaire $A_e$, vaut $S\,d$ ; d’où $d = A_e/S$.

Méthode 13.12 (Restauration d’une coupe)

1. Choisir une coupe parallèle à la direction de transport et deux lignes d’ancrage là où il n’y avait pas de glissement entre les couches.
2. Mesurer chaque niveau repère le long de sa longueur entre les ancrages, en comptant chaque partie répétée par un chevauchement.
3. Étaler les niveaux à plat à leurs longueurs mesurées, en gardant l’ordre des couches, et retracer les failles sur la coupe restaurée : leurs coupures doivent se raccorder, sans lacunes ni chevauchements.
4. Comparer : les niveaux d’une même écaille de chevauchement doivent se restaurer à la même longueur ; les aires des couches, divisées par leurs épaisseurs, doivent donner elles aussi les mêmes longueurs. Une coupe qui échoue n’est pas admissible telle qu’elle est tracée.

L’équilibrage est un test d’une coupe, non une preuve, et ses hypothèses comptent. Dans le Jura, près du Chasseral, l’équilibrage des longueurs au toit du Jurassique donne $5.1\,\mathrm{km}$ de déplacement, mais l’équilibrage des aires et la modélisation directe donnent $11.3\,\mathrm{km}$ : les $6.2\,\mathrm{km}$ supplémentaires ont été transportés le long d’un second décollement, supérieur, dans les argilites jurassiques, et transmis aux plis plus au nord. Un seul niveau repère avait manqué la moitié du mouvement. La même étude examina, sans en avoir besoin, deux autres interprétations courantes dans le Jura : des hauts de socle poussant les plis vers le haut, et des cœurs d’anticlinaux épaissis par des évaporites triasiques qui y fluent, un processus qui met en défaut l’équilibrage des aires, puisque la couche d’évaporites ne conserve plus son épaisseur.

Quel raccourcissement ?

Appliqué à des transects entiers, l’équilibrage donne le raccourcissement global de la chaîne, et les réponses varient avec les hypothèses. Dans les Alpes centrales, le long du transect NFP-20, les estimations du raccourcissement collisionnel sont d’environ $125\,\mathrm{km}$ dans les travaux anciens, $160\,\mathrm{km}$ dans une compilation de 2015 et $144\,\mathrm{km}$ dans une synthèse de 2021 ; en ajoutant le décrochement dextre de la ligne périadriatique, qui a déplacé l’Apulie latéralement le long de la chaîne, la convergence globale atteint entre 206 et $250\,\mathrm{km}$, selon le décrochement supposé. Dans les Alpes occidentales, les estimations vont de 124 à $243\,\mathrm{km}$. Chacune d’elles est une somme de morceaux restaurés, chacun avec ses propres lignes d’ancrage et ses propres suppositions sur ce que l’érosion et la subduction ont retiré.

Ce que voit la géophysique

Les coupes en profondeur reposent sur la géophysique. Des profils de sismique réflexion profonde ont été tirés à travers la chaîne (ECORS–CROP dans les Alpes occidentales, NFP-20 ouest et est en Suisse, TRANSALP à l’est), et des réseaux denses de sismomètres cartographient désormais le Moho à partir des fonctions récepteur, c’est-à-dire des conversions d’ondes P télésismiques en ondes S à la base de la croûte. La carte d’AlpArray, construite à partir de plus de cent mille fonctions récepteur, situe le Moho vers $30\,\mathrm{km}$, valeur typique des continents, autour de la chaîne, et à 55 à $60\,\mathrm{km}$ sous les Alpes ; le Moho européen plonge doucement d’environ $30\,\mathrm{km}$ au nord-ouest jusqu’à environ $55\,\mathrm{km}$ sous la chaîne. La coupe schématique ci-dessous résume comment on lit les profils NFP-20 à travers les Alpes centrales.

Le profil ci-dessus confronte la racine au modèle d’Airy du volume de première année. Sous la partie la plus haute du profil, là où le relief moyen de la bande atteint $2.74\,\mathrm{km}$ à $46.5{}^{\circ}$ N, une racine d’Airy locale placerait le Moho à $30 + 4.5 \times 2.74 = 42.3\,\mathrm{km}$ ; il est observé à $36.3\,\mathrm{km}$. Une centaine de kilomètres plus au sud, au bord de la plaine du Pô, où le relief moyen n’est que $0.65\,\mathrm{km}$, le Moho observé est le plus profond du profil, $61.2\,\mathrm{km}$. La racine n’est pas sous les sommets : elle est déplacée vers l’Apulie. Sur le tronçon où existent des pointés, sa section, mesurée sous $30\,\mathrm{km}$, est d’environ $2300\,\mathrm{km}^{2}$, contre environ $1500\,\mathrm{km}^{2}$ pour les racines d’Airy du relief qui la surmonte. La compensation locale de la topographie actuelle n’explique pas la racine. Pfiffner et ses collègues évoquent une charge supplémentaire : le corps d’Ivrée, un coin de manteau et de croûte inférieure adriatiques au sein de la chaîne, qui a contribué à fléchir la plaque européenne vers le bas.

La gravimétrie raconte la même histoire autrement. La carte de l’anomalie de Bouguer panalpine montre une anomalie négative alpine de $-100$ à $-170\,\mathrm{mGal}$ le long de la chaîne, la plus forte dans les Alpes centrales, due à la croûte légère de la racine épaissie ; une dépression du bassin du Pô d’environ $-80$ à $-140\,\mathrm{mGal}$ ; et, entre les Alpes occidentales et la plaine du Pô, l’étroit maximum gravimétrique d’Ivrée culminant à $+40\,\mathrm{mGal}$, là où cette croûte inférieure et ce manteau denses approchent de la surface.

13.6 Une chronologie des Alpes

Rassembler les dates de ce chapitre donne l’histoire de la chaîne en un seul tableau (tableau ci-dessous).

temps	événement
Jurassique moyen	l’océan Piémont–Ligurie s’ouvre ; ses gabbros cristallisent à $164\,\mathrm{Ma}$
Crétacé le plus ancien	l’océan du Valais s’ouvre au nord du Briançonnais
vers $100\,\mathrm{Ma}$	pic de haute pression de l’orogenèse crétacée dans les Alpes orientales
Crétacé supérieur	la marge apulienne (zone de la Sésia) est subduite ; la marge apulienne de l’océan est active
de 48 à $44\,\mathrm{Ma}$	le fond océanique de Zermatt–Saas atteint son point le plus profond, coésite et diamant au lac de Cignana
de l’Éocène moyen à supérieur	l’océan du Valais se referme ; le bassin molassique commence à s’affaisser
$35\,\mathrm{Ma}$	croûte continentale de Dora Maira à ultra-haute pression
Oligocène et Miocène	le chevauchement de Glaris ; les graviers molassiques remplissent l’avant-pays nord (de l’Oligocène supérieur au Miocène supérieur)
Miocène	soulèvement en tectonique de socle des massifs externes ; les Alpes méridionales chevauchent vers le sud
du Miocène supérieur au Pliocène	plissement en tectonique de couverture du Jura
aujourd’hui	le nivellement montre un soulèvement relatif des roches pouvant atteindre $1.3\,\mathrm{mm}$ par an au cœur de les Alpes centrales

La dernière ligne n’est pas la fin de la convergence. Des nivellements répétés à travers les Alpes centrales donnent un soulèvement relatif des roches allant d’environ $-0.4\,\mathrm{mm}$ par an au nord du Jura à $1.3\,\mathrm{mm}$ par an au cœur de la chaîne, tandis que les mesures GPS suggèrent que les Alpes centrales ne convergent plus aujourd’hui. Champagnac et ses collègues lisent ce soulèvement comme le rebond isostatique d’une croûte déchargée par l’érosion : les montagnes s’élèvent parce qu’elles sont usées.

Exercices

Données : $g = 9.8\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-2}$, $G = 6.674 \times 10^{-11}\,\mathrm{m}^{3}\,\mathrm{kg}^{-1}\,\mathrm{s}^{-2}$.

Exercice 13.1 ★

Dans une coupe, un niveau calcaire mesuré le long de ses plis entre deux lignes d’ancrage mesure $36.0\,\mathrm{km}$ de long ; les lignes d’ancrage sont distantes de $27.0\,\mathrm{km}$. (a) En utilisant Proposition 13.11, calculer le raccourcissement $e$ et la distance de raccourcissement $S$. (b) Quelle condition le niveau doit-il remplir pour que la réponse soit valable ?

Solution

Solution de Exercice 13.1.

(a) $e = 1 - 27.0/36.0 = 0.25$, soit $25\,\%$ ; $S = 36.0 - 27.0 = 9.0\,\mathrm{km}$. (b) Le niveau doit avoir conservé sa longueur (ni étirement ni amincissement dans sa longueur), la coupe doit être parallèle à la direction de transport, et les lignes d’ancrage doivent marquer des lieux où les couches n’ont pas glissé les unes contre les autres.

Exercice 13.2 ★

Sur une carte géologique, (a) une tache ovale de gneiss longue de $4\,\mathrm{km}$ repose sur du calcaire jurassique, dont la limite est un chevauchement plongeant vers l’intérieur, sous le gneiss, tout autour ; (b) une zone allongée d’argilite crétacée est entourée de gneiss, le long d’un chevauchement plongeant vers l’extérieur, sous le gneiss, tout autour. Nommer chaque structure et dire ce que l’érosion en a fait dans chaque cas.

Solution

Solution de Exercice 13.2.

(a) Une klippe : le gneiss est un vestige isolé d’une nappe de charriage reposant sur son autochtone ; l’érosion a enlevé le reste de la feuille tout autour. (b) Une fenêtre tectonique : l’érosion a entaillé la nappe de gneiss et mis à nu les roches plus jeunes sous son chevauchement de base, qui plonge donc en s’éloignant de la fenêtre de tous les côtés.

Exercice 13.3 ★

(a) Énumérer les quatre unités de la séquence ophiolitique de Penrose, de bas en haut, et associer chacune à une couche de la croûte océanique ou du manteau. (b) L’ophiolite du Chenaillet montre du manteau à nu, des gabbros et des basaltes en coussins, et aucune couverture sédimentaire. Quelle unité de Penrose cette liste omet-elle ? (c) Pourquoi les ophiolites ne donnent-elles pas un échantillon fidèle du fond des océans larges ?

Solution

Solution de Exercice 13.3.

(a) Complexe ultramafique (le manteau supérieur) ; complexe gabbroïque (la croûte océanique inférieure) ; complexe de dykes en filons (la croûte moyenne) ; complexe volcanique en coussins (la croûte supérieure). (b) Le complexe de dykes en filons. (c) La plus grande part de la croûte des océans larges est consommée par la subduction ; les ophiolites qui subsistent sur les continents se sont formées surtout dans de petits bassins océaniques ou entre des arcs insulaires, les ophiolites téthysiennes là où un continent s’est aminci jusqu’à l’ouverture d’un petit océan.

Exercice 13.4 ★

En montant au Cervin par le sud, un alpiniste traverse tour à tour les nappes du Mont-Rose et du Grand-Saint-Bernard, les ophiolites de Zermatt–Saas, la zone du Combin et les gneiss du système de chevauchement de la Dent Blanche. (a) Donner le domaine d’origine de chacune. (b) Quelle plaque était la plaque supérieure pendant la subduction ? (c) Pourquoi cet ordre est-il une règle générale de l’empilement de nappes, et qu’est-ce qui peut le rompre ?

Solution

Solution de Exercice 13.4.

(a) Nappes du Mont-Rose et du Grand-Saint-Bernard : le côté européen (le Briançonnais et la marge passive européenne) ; Zermatt–Saas et zone du Combin : l’océan Piémont–Ligurie ; Dent Blanche : la marge de l’Apulie. (b) L’Apulie, qui se retrouve au sommet. (c) La plaque supérieure n’est pas subduite, et les écailles raclées de la plaque inférieure s’empilent sous elle dans l’ordre dans lequel la plaque inférieure est arrivée : l’océan lointain d’abord, la marge proche en dernier et la plus basse. Un plissement ultérieur de l’empilement, ou des chevauchements hors séquence, peut bouleverser cet ordre.

Exercice 13.5 ★★

Les Alpes centrales portent une anomalie de Bouguer d’environ $-170\,\mathrm{mGal}$. (a) En utilisant la plaque de Bouguer du volume de première année, $\Delta g = 2\pi G\,\Delta\rho\,h$, trouver l’épaisseur $h$ d’une plaque infinie de déficit de densité $\Delta\rho = 500\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ (croûte remplaçant le manteau) qui donne cette anomalie. (b) Les fonctions récepteur montrent une racine d’environ $25\,\mathrm{km}$ sous une croûte de $30\,\mathrm{km}$. Quelle anomalie donnerait une plaque infinie aussi épaisse ? (c) Pourquoi l’anomalie observée est-elle plus faible ?

Solution

Solution de Exercice 13.5.

(a) $2\pi G\,\Delta\rho = 2\pi\times6.674\times10^{-11}\times500 = 2.097 \times 10^{-7}\,\mathrm{s}^{-2}$ ; $h = 1.70\times10^{-3}/2.097\times10^{-7} = 8.1\,\mathrm{km}$. (b) $2.097\times10^{-7}\times25\,000 = 5.24 \times 10^{-3}\,\mathrm{m}\,\mathrm{s}^{-2}$, environ $-524\,\mathrm{mGal}$. (c) La racine n’est pas une plaque infinie : c’est un corps de quelques dizaines de kilomètres de profondeur et à peine aussi large que la chaîne, si bien qu’il tire moins sur un point de la surface qu’une plaque de même épaisseur s’étendant à l’infini ; les corps denses comme la zone d’Ivrée ajoutent des anomalies positives, et le contraste de densité en profondeur peut être plus faible que supposé.

Exercice 13.6 ★★

Les gabbros de l’ophiolite de Zermatt–Saas ont cristallisé à $164\,\mathrm{Ma}$ ; l’ophiolite atteignit son point le plus profond à $44\,\mathrm{Ma}$, à $2.8\,\mathrm{GPa}$. (a) Quel âge avait la lithosphère océanique lorsqu’elle a été subduite ? (b) Convertir la pression en profondeur avec une densité moyenne des terrains sus-jacents de $3000\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, puis de $3300\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$. (c) Comparer avec la valeur « plus de $90\,\mathrm{km}$ » citée pour cette roche.

Solution

Solution de Exercice 13.6.

(a) $164 - 44 = 120\,\mathrm{Ma}$. (b) $z = P/(\bar\rho g)$ : $2.8\times10^9/(3000\times9.8) = 95.2\,\mathrm{km}$; $2.8\times10^9/(3300\times9.8) = 86.6\,\mathrm{km}$. (c) « Plus de $90\,\mathrm{km}$ » se situe dans cet intervalle : la profondeur dépend de la densité moyenne choisie pour les terrains sus-jacents autant que de la pression.

Exercice 13.7 ★★

Un niveau est plissé en chevrons dont tous les flancs droits plongent selon l’angle $\theta$. (a) Montrer que le raccourcissement vaut $e = 1 - \cos\theta$. (b) Quel pendage des flancs donne un raccourcissement de $30\,\%$ ? (c) Quel raccourcissement donnent des flancs pentés de $40{}^{\circ}$ et $60{}^{\circ}$ ? Vérifier le premier résultat avec la figure en chevrons de la section sur l’équilibrage.

Solution

Solution de Exercice 13.7.

(a) Un flanc de longueur $L$ plongeant à $\theta$ s’étend horizontalement sur $L\cos\theta$ ; tous les flancs ont le même pendage, donc $l = l_0\cos\theta$ et $e = 1 - l/l_0 = 1 - \cos\theta$. (b) $\cos\theta = 0.70$ : $\theta = 45.6{}^{\circ}$. (c) $1 - \cos40{}^{\circ} = 23.4\,\%$, comme sur la figure en chevrons ; $1 - \cos60{}^{\circ} = 50\,\%$.

Exercice 13.8 ★★

Une couverture de $2.0\,\mathrm{km}$ d’épaisseur est pliée et chevauchée au-dessus d’un décollement plat. Entre des lignes actuellement distantes de $42\,\mathrm{km}$, son aire de section vaut $118\,\mathrm{km}^{2}$. (a) Trouver sa longueur restaurée, $S$ et $e$. (b) Calculer l’aire excédentaire et la profondeur du décollement sous le sommet initial de la couverture. (c) Le résultat est-il cohérent ?

Solution

Solution de Exercice 13.8.

(a) $l_0 = 118/2.0 = 59.0\,\mathrm{km}$ ; $S = 59.0 - 42 = 17.0\,\mathrm{km}$ ; $e = 17.0/59.0 = 28.8\,\%$. (b) $A_e = 118 - 42\times2.0 = 34.0\,\mathrm{km}^{2}$ ; $d = 34.0/17.0 = 2.0\,\mathrm{km}$. (c) Oui : le décollement se situe à la base de la couverture de $2.0\,\mathrm{km}$, sous son sommet ; la couverture est détachée par sa base.

Exercice 13.9 ★★

Le long du profil à $8{}^{\circ}$ E de ce chapitre, l’altitude moyenne de la bande vaut $2.74\,\mathrm{km}$ à $46.5{}^{\circ}$ N, où le Moho est pointé à $36.3\,\mathrm{km}$, et $0.65\,\mathrm{km}$ à $45.55{}^{\circ}$ N, où il est pointé à $61.2\,\mathrm{km}$. (a) Avec une croûte de référence de $30\,\mathrm{km}$, $\rho_c = 2700\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$ et $\rho_m = 3300\,\mathrm{kg}\,\mathrm{m}^{-3}$, calculer la profondeur du Moho d’Airy aux deux endroits. (b) Comparer aux pointés. (c) Que dit la comparaison de la façon dont la racine alpine est maintenue ?

Solution

Solution de Exercice 13.9.

(a) La racine d’Airy vaut $4.5h$ : à $46.5{}^{\circ}$ N, $4.5\times2.74 = 12.3\,\mathrm{km}$, soit un Moho à $42.3\,\mathrm{km}$ ; à $45.55{}^{\circ}$ N, $4.5\times0.65 = 2.9\,\mathrm{km}$, soit un Moho à $32.9\,\mathrm{km}$. (b) Sous le relief élevé, le Moho est à $6.0\,\mathrm{km}$ moins profond que ne le prévoit Airy ; au bord de la plaine du Pô, il est plus profond de $28.3\,\mathrm{km}$. (c) La racine n’est pas compensée localement : elle est déplacée vers le sud et plus grande que ne l’exige le relief. La plaque se courbe dans son ensemble sous les charges qui la pèsent (le soutien régional traité dans un chapitre du volume de troisième année), et l’une de ces charges, le corps d’Ivrée, n’est pas du tout du relief.

Exercice 13.10 ★★★

Dans la coupe du Chasseral (Jura), l’équilibrage des longueurs au toit du Jurassique donne $5.1\,\mathrm{km}$ de déplacement ; l’équilibrage des aires et la modélisation donnent $11.3\,\mathrm{km}$, dont $6.2\,\mathrm{km}$ ont été transportés le long d’un décollement supérieur dans les argilites du Jurassique moyen. (a) Quelle fraction du déplacement le niveau du toit du Jurassique a-t-il enregistrée ? (b) Montrer que les nombres s’additionnent, et expliquer pourquoi le niveau supérieur manque une partie du mouvement. (c) Quelle leçon générale en tire-t-on pour l’équilibrage avec un seul niveau repère ?

Solution

Solution de Exercice 13.10.

(a) $5.1/11.3 = 0.45$ : moins de la moitié. (b) $5.1 + 6.2 = 11.3\,\mathrm{km}$. Le toit du Jurassique se situe au-dessus du décollement supérieur ; les $6.2\,\mathrm{km}$ transportés le long de ce décollement sont passés sous les plis de la coupe et ont été dépensés dans des structures plus au nord, si bien que le niveau supérieur n’a jamais été raccourci de cette quantité dans la coupe. (c) Un seul niveau repère n’enregistre que le raccourcissement des couches auxquelles il appartient ; chaque décollement situé au-dessus ou au-dessous de lui peut transporter du déplacement dans la coupe ou hors de celle-ci. Équilibrer plusieurs niveaux, et vérifier avec les aires.

Exercice 13.11 ★★★

À travers les Alpes centrales, environ $200\,\mathrm{km}$ de raccourcissement dirigé vers le nord ont été estimés, et la ligne périadriatique présente un décrochement dextre est–ouest d’environ $100\,\mathrm{km}$, peut-être 50, peut-être 150. (a) Additionner les deux comme des vecteurs perpendiculaires et donner la convergence globale pour chaque décrochement. (b) Quel angle la convergence fait-elle avec la direction nord–sud pour un décrochement de $100\,\mathrm{km}$ ? (c) Pourquoi le choix du décrochement compte-t-il davantage que le troisième chiffre significatif du raccourcissement ?

Solution

Solution de Exercice 13.11.

(a) Pour un décrochement de $100\,\mathrm{km}$, $\sqrt{200^2 + 100^2} = 223.6\,\mathrm{km}$ ; pour $50\,\mathrm{km}$, $\sqrt{200^2 + 50^2} = 206.2\,\mathrm{km}$ ; pour $150\,\mathrm{km}$, $\sqrt{200^2 + 150^2} = 250.0\,\mathrm{km}$. (b) $\arctan(100/200) = 26.6{}^{\circ}$ par rapport à la direction nord–sud, une ligne de convergence proche de N$150{}^{\circ}$E citée par Rosenberg et ses collègues. (c) Le décrochement est incertain de $\pm50\,\mathrm{km}$, ce qui déplace la convergence globale d’environ $20\,\mathrm{km}$ dans un sens ou l’autre ; le troisième chiffre du résultat est très inférieur à cette incertitude.

Exercice 13.12 ★★★

La partie suisse du bassin d’avant-pays alpin a migré d’au moins $210\,\mathrm{km}$ vers le nord-ouest sur l’Europe, son rivage avançant entre 8.5 et $12.9\,\mathrm{mm}$ par an. (a) Sur quelle plage de durées la migration s’est-elle déroulée ? (b) Dans le secteur autrichien, la bande d’affleurement actuelle, large d’environ $60\,\mathrm{km}$, représente moins du quart de la largeur ancienne du bassin. Quelle était la largeur ancienne minimale, et quelle part du bassin est cachée sous les chevauchements ? (c) Pourquoi un bassin d’avant-pays ne peut-il jamais être entièrement conservé ?

Solution

Solution de Exercice 13.12.

(a) $210/12.9 = 16.3\,\mathrm{Ma}$ à $210/8.5 = 24.7\,\mathrm{Ma}$ ($\mathrm{km}$ divisé par $\mathrm{mm}\,\mathrm{an}^{-1}$ donne des millions d’années). (b) Plus de $4\times60 = 240\,\mathrm{km}$ ; au moins $240 - 60 = 180\,\mathrm{km}$ du bassin sont aujourd’hui sous les chevauchements alpins ou ont été érodés. (c) Le bassin se forme devant le prisme de chevauchement et migre avec lui : sa partie interne est toujours recouverte par les chevauchements qui le chargent, et ses plus anciens remplissages sont pris dans les chevauchements, comme la molasse subalpine.

Problème 13.1

Problème du week-end — restauration de la coupe

Un orogène de type alpin est traversé par une coupe modèle (une géométrie inventée, propre au livre, signalée comme modèle) composée de cinq domaines, de l’avant-pays jusqu’au côté opposé : une chaîne plissée et chevauchante d’avant-pays, large de $48\,\mathrm{km}$ aujourd’hui ; un empilement externe de nappes, $15\,\mathrm{km}$ ; un massif de socle, $22\,\mathrm{km}$ ; une zone interne de nappes continentales et d’ophiolites, $20\,\mathrm{km}$ ; et un rétro-prisme à vergence sud, $48\,\mathrm{km}$ (figure ci-dessous). Toutes les longueurs sont en kilomètres.

Partie I — Équilibre des longueurs de la chaîne d’avant-pays. Entre ses deux lignes d’ancrage, distantes de $48.0\,\mathrm{km}$, le toit du calcaire principal est formé de dix segments droits (extension horizontale $\Delta x$, pendage), énumérés depuis l’avant-pays ; en outre, une écaille de chevauchement recouvre un palier plat du même niveau, long de $6.0\,\mathrm{km}$, qui se répète sous elle.

segment	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
$\Delta x$ ($\mathrm{km}$)	8.0	3.0	3.0	5.0	2.5	2.5	6.0	4.0	4.0	10.0
dip (${}^{\circ}$)	0	35	35	0	50	50	10	40	40	5

1. Calculer la longueur le long du niveau des segments 2, 5 et 8.
2. Calculer la longueur totale du niveau entre les lignes d’ancrage, en comptant le palier répété.
3. Pourquoi faut-il compter le palier caché sous l’écaille de chevauchement ?
4. Calculer le raccourcissement $e$ et la distance de raccourcissement $S$ de la chaîne d’avant-pays.
5. La base du calcaire, mesurée de la même façon, mesure $60.2\,\mathrm{km}$. De combien, et de quel pourcentage les deux niveaux diffèrent-ils ? La coupe est-elle acceptable ?
6. Qu’aurait signifié une longueur de $54.0\,\mathrm{km}$ pour la base ?

Partie II — Équilibre des aires et le décollement. La couverture comprise entre le décollement et le toit du calcaire mesurait $2.4\,\mathrm{km}$ d’épaisseur avant la déformation ; son aire entre les lignes d’ancrage est mesurée à $146\,\mathrm{km}^{2}$.

7. Calculer la longueur restaurée de la couverture à partir de son aire.
8. Comparer avec le résultat de la longueur de la question 2.
9. Calculer l’aire excédentaire, soulevée au-dessus du sommet initial de la couverture.
10. En déduire la profondeur du décollement sous ce niveau, et la comparer à l’épaisseur de la couverture.
11. Si l’aire avait été de $160\,\mathrm{km}^{2}$, quelle longueur restaurée aurait-elle donnée ? Quel processus, cité pour le Jura, pourrait faire diverger ainsi l’aire et la longueur ?
12. Pourquoi cette chaîne est-elle en tectonique de couverture, et à quoi doit ressembler le toit du socle sous elle ?

Partie III — Les nappes externes et leur rythme. Le niveau repère des trois nappes externes se restaure à 22, 18 et $25\,\mathrm{km}$ ; l’empilement s’étend aujourd’hui sur $15\,\mathrm{km}$. Dans le massif de socle, le toit du socle se restaure à $30\,\mathrm{km}$ contre $22\,\mathrm{km}$ aujourd’hui. La chaîne d’avant-pays s’est déformée entre 11 et $4\,\mathrm{Ma}$, les nappes entre 30 et $20\,\mathrm{Ma}$.

13. Calculer la longueur restaurée de l’empilement de nappes et sa distance de raccourcissement.
14. Calculer son raccourcissement $e$ et le comparer à celui de la chaîne d’avant-pays.
15. Calculer le raccourcissement du massif de socle. De quel type de tectonique s’agit-il ?
16. Calculer les vitesses moyennes de raccourcissement de la chaîne d’avant-pays et des nappes, en millimètres par an.
17. Dans quel sens la déformation a-t-elle migré à travers la coupe ? Est-ce l’ordre observé dans les Alpes ?
18. Additionner le raccourcissement des trois domaines externes.

Partie IV — La zone interne, l’océan et la coupe entière. Les écailles ophiolitiques de la zone interne se restaurent à $18\,\mathrm{km}$. Supposons que l’océan ait été subduit de 85 à $45\,\mathrm{Ma}$ à une vitesse moyenne de $0.5\,\mathrm{cm}$ par an. Les nappes continentales de la zone interne se restaurent à $60\,\mathrm{km}$ contre $20\,\mathrm{km}$ aujourd’hui, et le niveau repère du rétro-prisme à $70\,\mathrm{km}$ contre $48\,\mathrm{km}$.

19. Quelle longueur de lithosphère océanique a été subduite ?
20. Donner une largeur minimale de l’océan.
21. Pourquoi ne s’agit-il que d’un minimum ?
22. Calculer le raccourcissement de la zone interne et du rétro-prisme.
23. Additionner le raccourcissement collisionnel des cinq domaines, et le comparer aux estimations pour les Alpes centrales données dans ce chapitre.
24. Contrôle de la croûte : restaurer la coupe à sa pleine largeur avec une croûte de $30\,\mathrm{km}$, et comparer l’aire crustale à celle d’aujourd’hui, soit une moyenne de $45\,\mathrm{km}$ sur les $153\,\mathrm{km}$ actuels. Quelle fraction de la croûte manque à la coupe actuelle, et où est-elle allée ? Donner le raccourcissement collisionnel total à travers la coupe, arrondi au kilomètre près.

Solution

Solution de Problème 13.1.

Partie I.

1. $3.0/\cos35{}^{\circ} = 3.66\,\mathrm{km}$ ; $2.5/\cos50{}^{\circ} = 3.89\,\mathrm{km}$ ; $4.0/\cos40{}^{\circ} = 5.22\,\mathrm{km}$.

2. $8.00 + 2\times3.66 + 5.00 + 2\times3.89 + 6.0/\cos10{}^{\circ} + 2\times5.22 + 10.0/\cos5{}^{\circ} = 8.00 + 7.32 + 5.00 + 7.78 + 6.09 + 10.44 + 10.04 = 54.67\,\mathrm{km}$ ; avec le palier répété, $l_0 = 60.7\,\mathrm{km}$.

3. Le niveau situé sous l’écaille de chevauchement est le même niveau, entraîné sous l’écaille par le chevauchement : avant le chevauchement, il était aligné avec le reste. L’omettre restaurerait le niveau trop court.

4. $e = 1 - 48.0/60.7 = 0.209$, soit $20.9\,\%$ ; $S = 60.7 - 48.0 = 12.7\,\mathrm{km}$.

5. $60.7 - 60.2 = 0.5\,\mathrm{km}$, $0.5/60.7 = 0.8\,\%$ : dans la précision de la mesure ; la coupe est acceptable.

6. $60.7 - 54.0 = 6.7\,\mathrm{km}$, $11\,\%$ : les deux niveaux d’une même écaille ne peuvent se restaurer à des longueurs aussi différentes. La coupe ne serait pas admissible telle qu’elle est tracée : une structure absente ou mal tracée, une ligne d’ancrage mal placée, un mouvement hors du plan de la coupe, ou un décollement entre les deux niveaux.

Partie II.

7. $146/2.4 = 60.8\,\mathrm{km}$.

8. Elle diffère de $60.7\,\mathrm{km}$ de $0.1\,\mathrm{km}$ : la longueur et l’aire concordent.

9. $A_e = 146 - 48.0\times2.4 = 146 - 115.2 = 30.8\,\mathrm{km}^{2}$.

10. $d = 30.8/12.7 = 2.43\,\mathrm{km}$, égale aux $2.4\,\mathrm{km}$ de la couverture à la précision des données : le décollement est la base de la couverture.

11. $160/2.4 = 66.7\,\mathrm{km}$, soit $6.0\,\mathrm{km}$ de plus que la longueur de ligne. L’épaississement des évaporites à la base de la couverture, qui s’écoulent dans le cœur des anticlinaux, ajoute de l’aire sans ajouter de longueur ; l’équilibrage des aires, à épaisseur constante, échoue alors.

12. La couverture s’est déplacée sur un décollement à sa base, et le socle n’a pas été impliqué. Sous la chaîne, le toit du socle devrait être plat ou pencher doucement et régulièrement, sans être brisé par les chevauchements qui le surmontent.

Partie III.

13. $22 + 18 + 25 = 65\,\mathrm{km}$ ; $S = 65 - 15 = 50\,\mathrm{km}$.

14. $e = 50/65 = 76.9\,\%$, contre $20.9\,\%$ dans la chaîne d’avant-pays : les nappes sont bien plus raccourcies.

15. $30 - 22 = 8\,\mathrm{km}$ ($e = 26.7\,\%$). Le socle lui-même est raccourci : tectonique de socle.

16. Chaîne d’avant-pays $12.7/(11 - 4) = 1.81\,\mathrm{km}/\mathrm{Ma}$, soit $1.81\,\mathrm{mm}$ par an ; nappes $50/(30 - 20) = 5.0\,\mathrm{mm}$ par an.

17. Les nappes (de 30 à $20\,\mathrm{Ma}$) se sont déformées avant la chaîne d’avant-pays (de 11 à $4\,\mathrm{Ma}$) : la déformation a migré vers l’extérieur, en direction de l’avant-pays. C’est l’ordre des Alpes : le chevauchement de Glaris à l’Oligocène et au Miocène, les massifs externes au Miocène, le Jura au Miocène supérieur et au Pliocène.

18. $12.7 + 50 + 8 = 70.7\,\mathrm{km}$.

Partie IV.

19. $0.5\,\mathrm{cm}\,\mathrm{an}^{-1}\times40\,\mathrm{Ma} = 0.005\times4\times10^7 = 2.0 \times 10^{5}\,\mathrm{m} = 200\,\mathrm{km}$.

20. $200 + 18 = 218\,\mathrm{km}$.

21. Seul ce qui est conservé ou déduit est compté : des parties de l’océan ont pu avoir été subduites avant $85\,\mathrm{Ma}$ ou plus vite que la vitesse moyenne, des écailles ophiolitiques ont pu être érodées ou emportées hors de la coupe, et une convergence oblique à la coupe apporte du fond océanique que la coupe ne voit pas.

22. Zone interne $60 - 20 = 40\,\mathrm{km}$ ($e = 66.7\,\%$) ; rétro-prisme $70 - 48 = 22\,\mathrm{km}$ ($e = 31.4\,\%$).

23. $12.7 + 50 + 8 + 40 + 22 = 132.7\,\mathrm{km}$ ; dans la fourchette des estimations pour les Alpes centrales, environ 125 à $160\,\mathrm{km}$ de raccourcissement collisionnel (avant d’ajouter le décrochement).

24. Largeur restaurée $153 + 132.7 = 285.7\,\mathrm{km}$ ; croûte restaurée $285.7\times30 = 8571\,\mathrm{km}^{2}$ ; croûte actuelle $153\times45 = 6885\,\mathrm{km}^{2}$. Manquant : $8571 - 6885 = 1686\,\mathrm{km}^{2}$, soit $19.7\,\%$ de la croûte restaurée ; elle a été érodée (et déposée dans les bassins d’avant-pays) ou subduite avec la croûte inférieure dans le manteau. Sans ces pertes, la croûte aurait en moyenne $8571/153 = 56\,\mathrm{km}$ d’épaisseur. Le raccourcissement collisionnel total à travers la coupe est $133\,\mathrm{km}$.