Tectonique et Processus d`exhumation récente (1

Tectonique et Processus d’exhumation récente (1-8 Ma) des Cordillera Blanca et Negra, Pérou
Central : Apports de la thermochronologie basse température et des isotopes cosmogéniques
Laboratoire ISTerre, équipe Tectonique Reliefs Bassins
Directeurs de thèse : Laurence Audin et Xavier Robert
Problématique :
Les Andes péruviennes sont l’exemple classique d’un orogène de subduction océanique. De nombreuses
problématiques de premier ordre sont débattues à l’heure actuelle. Parmi ces questions, le rôle et la nature de
l’épaississement crustal (magmatique ou tectonique) ainsi que les interactions entre le processus de subduction
et les soulèvements tectoniques observés le long de la Cordillère de la côte reste à contraindre.
Parmi les plus importants des reliefs andins, les Cordillères Blanca (6768 m) et Negra (5181 m) s’alignent de
part et d’autre de la vallée du Rio Santa dans une direction NW-SE le long de la côte Pacifique au Pérou Central.
Les sommets englacés de la Cordillère Blanca présentent sur leur flanc ouest un système majeur de failles
normales continu sur plus de 200 km et présentant un rejet vertical de ~4500 m depuis 5 Ma [Bonnot, 1984]. Ce
système tectonique se localise en bordure du vaste pluton granitique de 8 Ma. En dépit de nombreux indices
géomorphologiques témoignant d’une activité néotectonique croissante du Sud vers le Nord (0.5 à 5 mm.a-1),
aucun grand séisme historique n’a été associé à ce système de failles. Schwartz et al. [1988] proposent à partir
d’études paléosismologiques que le faisceau de failles de la Cordillera Blanca, produit des séismes de Magnitude
7-7.5 avec une récurrence de 2000 ans. L’exhumation de cette cordillère semble être associée à la mise en place
du pluton [Montario, 2001] mais son origine reste incomprise. De plus, la mise en place du pluton et l'activité
volcanique actuelle localisée à l'aplomb d'une géométrie de subduction plane reste anormale et incomprise.
Contrastant avec la Cordillère Blanche, la cordillère Noire est une chaine plus ancienne [Noble et al., 1999]
qui reste complètement inexplorée. En effet, son évolution en terme d’exhumation n’a jamais été étudiée. Sur le
plan structural, l’extension de la trace de la faille vers le Nord et le Sud des massifs granitiques n’a pas été
poursuivie.
Ce contexte géodynamique fait de cette région une cible privilégiée pour l’étude des processus tectoniques
accompagnant l’exhumation. Plus particulièrement, la mise en place du relief dans la chaîne de montagne
nécessite d’être abordée avec les questions suivantes : Quelle sont les histoires d’exhumation respectives des
deux cordillères ? Quelle est la relation entre ces exhumations différentielles, les processus d’exhumation et
l’évolution morphostructurale des Cordillères Blanche et Noire dans le cadre géodynamique de la subduction?
Quel est l’impact de ces mécanismes dans l’évolution globale de la chaîne des Andes ?
L’étude combinée de l’histoire d’emplacement de ces deux massifs, de leur exhumation, des mécanismes
d’érosion (glaciaire ou non) associés et de leur évolution structurale dans le cadre de l’édification de la chaîne
des Andes en font un objectif unique pour ce sujet de thèse. Pour répondre à ces questions, nous proposons de
comprendre l’évolution à court terme (103-105 ans) et à long terme (105-107 ans) des deux unités. Nous nous
appuierons sur des études de SIG associées à de la cartographie structurale et des datations nucléides
cosmogéniques (TCN) pour déterminer les taux d’érosion ainsi que l’activité et l’extension spatiale du système de
failles normales. Nous couplerons à ce travail une étude thermochronologique de basse température (optically
stimulated luminescence/OSL, et traces de fission sur apatites). Ces données seront intégrées aux modèles
numériques afin de quantifier l’exhumation au travers des deux cordillères ainsi que l’évolution de leur relief.
En parallèle, en complément à la problématique scientifique présentée, cette thèse permettra d’améliorer et
de valider la technique de thermochronologie OSL en cours de développement par F. Herman. Ce tout nouveau
thermochronomètre (T fermeture = 30-35°C), actuellement appliqué uniquement aux Alpes de Nouvelle Zélande,
permet l’accès au processus d’exhumation les plus récents (Processus jusqu’alors non décrit par les méthodes
traditionnelles). Cette nouvelle technique, de mise en œuvre relativement simple s’applique tout particulièrement
dans des régions à taux de soulèvement élevés (1-10 mm.a-1 ; Herman et al. [2010]). La région ciblée dans ce
projet en est un exemple de choix.
Moyens analytiques : Serveurs SIG, Laboratoires de préparation des échantillons, TCN et traces de fission,
Cluster de calcul.

Collaborations : Julien Carcaillet (IR CNRS), Frédéric Herman (UNIL Lausanne), Michel Lamothe (UQAM,
Montréal), Stéphane Schwartz (MCF UJF)
Profil recherché : Nous cherchons un candidat géologue motivé par des campagnes de terrain
(géomorphologie, tectonique, structurale), ainsi que par l’application et le développement de techniques de
laboratoire (TCN, thermochronologie, modélisation numérique).
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Tectonics and exhumation processes (1-8 Ma) in Cordillera Blanca and Negra, Central Peru : Constraints
from low-temperature thermochronology and Terrestrial Cosmogenic Nuclides
Laboratoire ISTerre, team Tectonique Reliefs Bassins
Supervisors: Laurence Audin and Xavier Robert
The Peruvian Andes are the classical feature presented to illustrate a relief building in front of an oceanic
subduction. Many first order questions are still debated: what are the nature and the place of the crustal
thickening (magmatic or tectonic) in the Andean building? How do subduction processes and observed tectonic
uplift interact along the Andean margin?
The Cordillera Blanca (6768 m) and Negra (5181 m) lie among the highest Andean reliefs and align on each
side of the Rio Santa valley with a NW-SE direction along the Central Peruvian Pacific coast. A remarkable
normal faults system ~ 200 km-long, showing of ~4500m vertical displacement since 5 Ma [Bonnot, 1984] edged
the western flank of the glaciated summit of the Cordillera Blanca. Although numerous geomorphological data
evidence a neotectonic activity increasing northward (up to 5 mm.yr-1), no significant historical earthquake has
been associated to this fault system. Schwartz et al. [1988] propose from paleoseismologic studies that the
Cordillera Blanca fault realeases magnitude 7-7.5 earthquakes with 2000 years of recurrence. The Cordillera
Blanca exhumation seems to be associated to the plutonism itself [Montario, 2001], but its origin still remains
ununderstood. Moreover, this pluton forms in an active subduction crustal context that renders an abnormal
volcanic activity over a planar subduction. In contrast with the Cordillera Blanca, the Cordillera Negra is an older
relief [Noble et al., 1999] still unexplored, as its exhumation history has never been studied. Similarly the
structural context , tectonic activity or extension of the fault trace is unknown north and South of the granitic
massifs.
Because of this geodynamical context, this region is a key region to study tectonic processes linked with the
exhumation in a context of active subduction plutonism: What are the respective exhumation history of these two
Cordilleras? What is the relationship between these differential exhumations, the exhumation processes and the
morphostructural evolution of the Cordillaras Blanca and Negra in the geodynamic framework of an active
subduction? What is the impact of these mechanisms in the global evolution of the Andes mountains belt?
The combine emplacement history of these two units, their exhumation and the associated erosive
mecanisms together with their structural evolution in the framework of the Andean mountain building are a
unique goal to this PhD proposal. To answer these questions, we propose to explore short term (103-105 yrs) and
long term (105-107 yrs) evolution of these two units. We will perform GIS studies associated with structural
mapping and Terrestrial Cosmo Nuclides (TCN) dating to determine erosion rates and the spatial extension and
activity of the normal faults system. We will couple this work to a low-temperature thermochronologic study
(optically stimulated luminescence/OSL, apatite fission-track). These data will be integrated in numerical
modeling to quantify exhumation rates and relief evolution through time in the two cordilleras.
Candidate Profile: We are seeking for a candidate motivated by the geologic fieldwork (geomorphology, tectonics,
structural studies), and by the use and the development of laboratory technics (TCN, thermochronology,
numerical modeling).