Faculté des sciences

Tectonics of the Eastern Greater Caucasus in Azerbaijan

Bochud, Martin ; Mosar, Jon (Dir.)

Thèse de doctorat : Université de Fribourg, 2011 ; no. 1733.

Le Grand Caucase est la plus haute et la plus longue chaîne de montagne en Europe. Elle est le résultat de l’inversion suite à la collision de la plaque arabique et eurasienne d’un ancien bassin d’arrière arc mésozoïque, le « Greater Caucasus Basin ». La formation de l’actuel Grand Caucase a commencé au début du Tertiaire avec une accélération des mouvements au... Plus

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    Résumé
    Le Grand Caucase est la plus haute et la plus longue chaîne de montagne en Europe. Elle est le résultat de l’inversion suite à la collision de la plaque arabique et eurasienne d’un ancien bassin d’arrière arc mésozoïque, le « Greater Caucasus Basin ». La formation de l’actuel Grand Caucase a commencé au début du Tertiaire avec une accélération des mouvements au Pliocène-Pléistocène. Elle est encore active actuellement. Le Grand Caucase Oriental (EGC : « Eastern Greater Caucasus ») est situé au nord de l’Azerbaijan. Il correspond à une chaîne de chevauchements et de plis à double vergences avec une propagation vers le sud dans le bassin d’avant-pays du Kura et vers le nord dans le bassin d’arrière-pays du Terek. La région est connue depuis l’Antiquité pour ses ressources en hydrocarbures et ses volcans de boue. Ce contexte particulier, ces hauts sommets de la partie centrale (le sommet du Bazarduzu atteint 4466 m d’altitude) et le proche bassin sud caspien rendent cette zone intéressante pour des études sur l’évolution et la géodynamique. Le but de ce doctorat est dans un premier temps de décrire la géologie et l’évolution du Grand Caucase Orientale. Deuxièmement, des études structurales et géomorphologiques sur des zones sélectionnées ont été réalisées afin de définir un modèle structural de la région et de l’étendre ensuite à la totalité du Grand Caucase. Finalement, nous avons testé différentes méthodes comme les traces de fission dans l’apatite, la cristallinité de l’illite et les courbes de subsidence qui permettent entre autres de caractériser le comportement thermique et l’exhumation de la région. Les structures géologiques du Grand Caucase Oriental sont le résultat d’une contrainte compressive de direction NNE-SSW. Les plis résultants ont un plongement axial de quelques degrés vers l’ESE. Le Grand Caucase Oriental est également découpé par de nombreux chevauchements dirigés vers le NNE et le SSW. Ils sont respectivement situés au nord et au sud du Grand Caucase Oriental avec une transition dans la région centrale. Basé sur des sédiments marins trouvés à des altitudes de 2000 m et de 3550 m, nous avons respectivement déterminé des taux de soulèvement de surface de 0.77 mm/a depuis le Pliocène (~2.6 Ma) et de 0.31 mm/a depuis le Sarmatien (~11.6 Ma). Ces soulèvements ne sont pas comparables à ceux obtenus dans la partie centrale du Grand Caucase (Géorgie, Russie) qui atteignent des vitesses de 10 à 12 mm/a. Les traces de fission dans l’apatite, nous ont permis de déterminer que la partie centrale (Zone de Tufan) a subit des vitesses d’exhumation plus faibles mais durant une plus longue période (depuis l’Oligocène- Miocène Inf.) que la partie nord (Zone de Tahircal) où la dernière phase d’exhumation a commencé au Miocene Supérieur. Différents événements dans le Grand Caucase Oriental ont permis de définir six phases compressives. La première s’est déroulée avant le Callovien (Jurassique Moyen). Des sédiments Callovien sont en contact transgressif sur des sédiments Aalénien plissés. La deuxième phase est déterminée par le dépôt de conglomérats Berriasien sur des dépôts marins Kimméridgien fortement inclinés. La troisième phase correspond à l’érosion d’une paléo-vallée à travers la Nappe du Sahdag-Besbarmaq et une partie de la zone de Sahdag-Xizi. Cette paléo-vallée a ensuite été comblée par des sédiments marins allant du Crétacé Supérieur au Pliocène. La quatrième phase s’est déroulée à la fin du Crétacé Supérieur et s’exprime au nord du Grand Caucase Oriental par des sédiments Paléocène transgressifs sur des dépôts marins allant du Jurassique Moyen au Crétacé. La cinquième phase est directement liée au début de la formation du Grand Caucase à l’Eocène-Oligocène où l’on voit se créer des bassins d’avant-pays qui sont remplis par des sédiments venant de l’érosion de la nouvelle chaîne de montagne. La dernière phase correspond au soulèvement principal de la chaîne qui commence durant le Miocène et est basée sur des sédiments marins trouvés en altitude. Au niveau de l’histoire thermique, nous avons observé une faible schistosité dans la partie centrale du Grand Caucase Oriental. Elle correspond à un métamorphisme de très faible intensité dans des lithologies favorables. Les analyses de traces de fission dans l’apatite (AFT) et de l’indice de cristallinité montrent une augmentation du métamorphisme en partant du front orogénique nord de la chaîne vers la partie centrale. Elles montrent également une diminution du métamorphisme en partant de la partie centrale vers l’ESE en suivant la crête principale de la chaîne. Les modèles temps-températures des AFT et les courbes de subsidences montrent tout un enfouissement rapide au Jurassique Moyen-Supérieur et elles se terminent par une rapide exhumation au Miocene-Pliocene. La partie nord est caractérisée par un événement intermédiaire d’exhumation-enfouissement qui commence au Crétacé Supérieur et se termine au Miocene Moyen. En combinant les études structurales et géomorphologiques dans le Grand Caucase Oriental avec la littérature et des études SIG sur d’autres régions du Grand Caucase, nous avons pu étendre à ce dernier les structures découvertes dans la partie orientale. Le « Main Caucasus Thrust » (MCT ou chevauchement principal du Caucase) est un chevauchement qui coupe d’ouest en est la chaîne de montagne. La zone topographique élevée du Grand Caucase est limitée au sud par le MCT qui montre un déplacement important vers le sud et au nord par des failles retro-chevauchantes vers le nord. Ces failles sont liées à un système de rampe vers le sud dont le MCT est la composante principale. La migration de le MCT vers le sud pendant le Tertiaire est responsable de la formation successive de bassins d’avant pays caractérisés par des hauts topographiques, des rivières déviées et des vallées asséchées. Le comportement géodynamique entre l’est et l’ouest du Grand Caucase n’est pas identique. C’est principalement dû à différents facteurs comme la diminution de la convergence de plaque d’est en ouest, l’affleurement du socle uniquement dans la partie occidentale et le magmatisme et volcanisme récents dans la partie centrale et occidentale.
    Summary
    The Greater Caucasus is Europe’s largest and highest mountain belt and results from the inversion of the Mesozoic Greater Caucasus back-arc-type basin due to the collision of Arabia and Eurasia. The orogenic processes that led to the present mountain chain started in early Tertiary, accelerated during the Plio- Pleistocene, and are still active nowadays. The Eastern Greater Caucasus (EGC) is located to the north of Azerbaijan. It corresponds to a doubly verging fold-and-thrust belt, with a pro- and a retro wedge actively propagating into the foreland sedimentary basins of the Kura to the south and the Terek to the north. The area is known since the antiquity for its hydrocarbon resources and its mud volcanoes. This particular context added to the high summits of its central area (Bazarduzu Mt. reaches 4466 m) and the proximity with the deep South Caspian intracontinental basin make it an unique place to investigate geodynamics of basin formation and of the orogenic structures. The aim of this thesis is first to describe the geology and the evolution of the Eastern Greater Caucasus. Secondly we detailed structural and geomorphological features of selected areas to develop a structural model of the EGC that we export to the Greater Caucasus. Finally we tested methods like Apatite Fission Tracks (AFT), Illite Crystallinity (IC) and subsidence curves to characterize the thermal evolution and the subsidence/uplift of the area. The structural features of the EGC result from an average NNE-SSW compressive stress. Folds have axis that slightly dip to the ESE. The EGC is cut by thrusts dipping to the NNE and SSW. They are respectively located to the S and to the N with a transition in the central part. Finally, the recent anticaucasian strike-slip fault system led to the present valley geomorphology and orientation. Based on marine sediments at altitudes between 2000 m and 3550 m, we respectively determine uplift rates of 0.77 mm/yr since the Pliocene (~2.6 Myr) and 0.31 mm/yr since the Sarmatian (~11.6 Myr). Based on Apatite fission-track, Illite Crystallinity and subsidence studies, we determine that a fast exhumation acted on the northern area (Tahircal Zone) since the Late Miocene whereas the central area (Tufan Zone) was affected by slower uplift rates but during a longer period (since Eocene-Oligocene). This long term uplift built the highest relief of the EGC. These uplift rates of the EGC cannot be compared with the rate of 10-12 mm/yr since the Pliocene of the central Greater Caucasus in Georgia and Russia. Several events in the EGC allow defining more than six main compressive phases since the Middle Jurassic. The first occurred before Callovian times and is expressed by Callovian deposits that unconformably lie on folded Aalenian deposits. The second is expressed by Berriasian conglomerates that transgressively cover tilted Kimmeridgian deposits. The third corresponds to an erosional event of a paleo-valley in the Sahdag-Besbarmaq Nappe and on the underlying Sahdag-Xizi Zone that is subsequently filled by Upper Cretaceous to Pliocene sediments. The fourth compressive event occurred at the end of the Upper Cretaceous and beginning of the Paleocene and is expressed by Paleocene sediments that transgressively cover deposits from the Middle Jurassic to the Cretaceous in the northern area. The fifth event corresponds to the creation of foreland basins during the Eocene and Oligocene that resulted from the building of the Greater Caucasus. The last event corresponds to the major uplift that started during Middle-Late Miocene and is based on marine sediments at high altitude. In terms of thermal history, we observe only a weak schistosity that develops in the central part and corresponds to a very low-grade metamorphism in favorable lithologies. Apatite fission-track and illite crystallinity analyses show an increase of the metamorphism from the northern orogenic front to its central part. They show also a decrease of the metamorphism southeastwards along the main EGC crest. AFT time-temperature models and subsidence curves show a fast burial during the Middle-Upper Jurassic and they all finish by an exhumation starting, depending on the area, from the beginning to the end of Miocene. The north is affected by an exhumation-burial period starting during the Upper Cretaceous and finishing in the Middle Miocene. Combining our structural and geomorphological study in the EGC with literature and GIS studies on the other regions of the Greater Caucasus, we expand our findings to the whole Greater Caucasus. The Main Caucasus Thrust (MCT) is a major thrust that crosses the whole Greater Caucasus from west to east. The zone of highest topography of the Greater Caucasus is bound to the south by the MCT which shows important top to the south movement and to the north by south dipping thrusts with top to the north movement. We associate this north faults to a N-verging backthrusting system linked to a thrust ramp system to the south corresponding to the MCT. The migration of the MCT to the south during Tertiary is responsible for the formation of successive foreland basins separated by clear changes in topography, deviation of rivers and water gaps. The geodynamic behaviour between the east and west Greater Caucasus area is not identical. This is mainly due to several factors such as the E to W decreasing plate convergence rate; the basement that outcrops only in the west; and the recent volcanism and magmatic activity that affected the central and western part of the Greater Caucasus.