Thermochronological approach to the late Neogene exhumation of the European Alps

Abstract

Sediment flux from the Alps shows a sharp increase around the Mio-Pliocene boundary (~5 Ma). This observation, linked to the exhumation of the Swiss Molasse basin since ca. 5-4 Ma has led to the suggestion that the Alps experienced accelerated exhumation and isostatic uplift at the orogen scale since this time. The core objectives of this thesis are to assess whether we can document post 5 Ma exhumation of the Alps and its spatial and temporal development, and to review the different potential (tectonic or climatic) factors controlling this denudation. I have developed a novel technique that uses isoage contours associated with age-elevation relationships to exploit the unique density of fission-track ages in the western European Alps, reconstruct cooling isoage surfaces and estimate exhumation rates on the orogen scale between 13.5 and 2.5 Ma. The exhumation histories reconstructed for eight areas of the Western Alps display strong similarities in timing and rate with orogen-wide average denudation rates inferred from sediment volumes. Exhumation rates increased more than twofold since Late Miocene times, and may have been locally modulated by the distinct response of different tectonic units. I then searched for correlation between the spatial pattern of long-term exhumation rates, from the apatite fission-track record, and potential controlling parameters. In the Western Alps, long-term exhumation rates correlate strongly with presentday rates of rock uplift, implying that the rock uplift pattern observed today is ancient. I also observed that the spatial pattern of released seismic energy does not correlate with rock uplift or exhumation, which suggests that exhumation is controlled by isostatic rebound rather than by active tectonic uplift. The lack of correlation between exhumation rates and the presentday distribution of precipitation suggests that the present-day pattern is either non representative of the long-term trend or that factors other than precipitation rate dominate the intensity of exhumation. In order to study the exhumation history in more detail, I sampled two elevation profiles in the central Aar massif (Switzerland) and the western Lepontine Alps (Italy) for AFT and AHe dating which are characterised by steep age-elevation relationships around 8 and 4 Ma. I used the Pecube model to predict AFT and AHe ages according to several tens of exhumation scenarios and compared modeled and measured ages. The results of numerical modeling do not reject the hypothesis of two exhumation pulses at 9-7 and 5-3 Ma in the Aar massif. However, this signal is not detected in the Lepontine Alps, and contingent upon further flexural modeling, the exhumation recorded in the Aar massif since 5 Ma does not match the amount required to explain the denudation in the Swiss Molasse basin by flexural isostatic rebound. Rather, the data hint at an additional mechanism of rock uplift, such as the delamination of lithospheric mantle.

Le flux de sédiments en provenance des Alpes montre une importante augmentation à la limite Mio-Pliocène (~5 Ma). Cette observation, liée à l'exhumation du bassin molassique suisse depuis 5-4 Ma, a conduit à suggérer que les Alpes ont connu une exhumation et un uplift isostatique accélérés à l'échelle de l'orogène depuis cette période. Les objectifs principaux de cette thèse sont de déterminer s'il existe une hausse de l'exhumation alpine après 5 Ma, de préciser son extension spatiale et temporelle, et de passer en revue les différents facteurs potentiels (tectoniques ou climatiques) contrôlant cette dénudation. J'ai développé durant la thèse une nouvelle technique utilisant les contours isoâge associés aux relations âge-élévation pour, à partir de la mise à jour d'une base de données d'âges par traces de fission dans les Alpes Européennes occidentales, reconstruire des surfaces de refroidissement isoâge et estimer les taux d'exhumation de l'orogène entre 13,5 et 2,5 Ma. Les taux et les périodes d'exhumation obtenus pour huit zones des Alpes Occidentales présentent de fortes similarités avec la dénudation moyenne de l'orogène estimée à partir du volume de sédiments péri-alpins. Les taux d'exhumation ont plus que doublé depuis la fin du Miocène, et peuvent avoir été modulés localement par les caractéristiques des différentes unités tectoniques. J'ai ensuite recherché des corrélations entre les valeurs de taux d'exhumation à long terme, dérivées des données d'âge par traces de fission, et les paramètres de contrôle potentiels. Dans les Alpes Occidentales, les taux d'exhumation à long terme sont fortement corrélés avec les taux d'uplift rocheux présents, suggérant que les valeurs d'uplift actuelles ont peu changé récemment. J'ai aussi observé que la distribution de l'énergie sismique libérée n'est pas corrélée avec l'uplift rocheux ou l'exhumation, ce qui suggère que l'exhumation est contrôlée par rebond isostatique plutôt que par un uplift tectonique actif. L'absence de corrélation entre les taux d'exhumation et la distribution des précipitations actuelles suggère qu'elles ne sont pas représentatives d'une tendance à long terme, ou bien que des facteurs autres que le taux de précipitations contrôlent l'intensité de l'exhumation. Dans le but d'étudier davantage en détail l'histoire de l'exhumation, j'ai réalisé un échantillonnage le long de deux profils altitudinaux dans le centre du massif de l'Aar (Suisse) et à l'ouest des Alpes Lepontines (Italie). Les âges AFT et AHe obtenus se caractérisent par des pentes très élevées de la relation âge-élévation aux alentours de 8 et 4 Ma. J'ai utilisé le modèle Pecube pour prédire des âges AFT et AHe selon plusieurs dizaines de scénarios d'exhumation, et j'ai comparé les âges mesurés et prédits. Les résultats des modèles numériques ne permettent pas de rejetter l'hypothèse de deux phases de forte exhumation à 9-7 et 5-3 Ma dans le massif de l'Aar. Cependant, ce signal n'est pas détecté dans les Alpes Lepontines, et sous-réserve de l'apport d'une modélisation flexurale additionnelle, la quantité d'exhumation dans le massif de l'Aar depuis 5 Ma ne permet pas d'expliquer l'exhumation du bassin molassique suisse par rebond flexural isostatique. Au contraire, ces résultats sont de nature à conforter l'existence d'un mécanisme d'uplift rocheux additionnel tel que le détachement de manteau lithosphérique épaissi.