Une approche pluridisciplinaire (tectonique, géomorphologie, géophysique, forage, datation 10Be...) a été entreprise afin de caractériser les déformations tectoniques récentes en Provence. Elle a consisté à comprendre la mise en place et l'évolution des structures potentiellement sismogènes, de quantifier les taux de déplacement plio-quaternaires, et d'étudier les relations entre tectonique et érosion dans ce type de contexte présentant une déformation lente. Si les déformations pliocènes à actuelles sont contrôlées par la dynamique de la chaîne alpine, les structures résultent essentiellement de la phase de déformation pyrénéo-provençale, de la fin du Crétacé à l'Eocène moyen ; la phase « alpine » d'âge Miocène étant exprimée essentiellement entre la faille de la Moyenne Durance et celle de Salon-Cavaillon (e.g. Luberon, Trévaresse...). Les vitesses de déplacements calculées grâce à la déformation de marqueurs géologiques et géomorphologiques résultant de la crise de salinité messinienne et/ou des cycles glacio-eustatiques quaternaires sont souvent inférieures à 0,1 mm/an. Cette déformation peut-être enregistrée par des marqueurs géologiques très récents, bien que la morphologie actuelle de la région soit contrôlée essentiellement par les processus d'érosion.

La Mer d'Alboran est un bassin arrière-arc situé à l'extrémité occidentale de la Mer Méditerranée ayant subi une évolution complexe. Basé sur une approche " terre-mer ", pluridisciplinaire, ce travail axé sur deux grandes thématiques de recherche vise à mieux comprendre les modalités d'ouverture et de déformation des bassins sédimentaires au cours du Néogène en étudiant notamment un événement majeur de l'histoire de la Mer Méditerranée, la Crise de salinité messinienne.L'étude tectonique et sédimentaire du bassin Ouest-Alboran, a permis de construire un nouveau schéma d'évolution tectonique et sédimentaire au cours du Miocène. L'initiation de la subsidence s'est effectuée au gré de grandes zones de cisaillement crustales affectant le socle métamorphique. La subsidence est ensuite contrôlée par la traction du panneau plongeant lithosphérique sous-jacent. Dans les Cordillères Bétiques, une seconde génération de bassins, dont celui de Sorbas, s'est développée le long de dômes métamorphiques exhumés au cours d'une phase d'extension. Des reconstitutions paléogéographiques montrent que la formation des bassins de la Mer d'Alboran est en relation avec la subduction sous-jacente.Des études de terrain ont mis en évidence une importante phase d'érosion des bassins périphériques de la Mer d'Alboran en réponse à la Crise de salinité messinienne. Cette érosion subaérienne eut pour conséquence le creusement de canyons fluviatiles à terre qui ont été suivis en mer par l'analyse fine de profils sismiques. Un nouveau scénario est alors proposé afin d'expliquer la réouverture de la connexion avec l'Océan Atlantique après plus de 160.000 ans d'émersion. / The Alboran Sea is a back-arc basin located at the western end of the Mediterranean Sea, and has been affected by complex tectonic settings during its history. Based on a multidisciplinary "land-sea" approach, this work focuses on two major research topics: it aims (1) to better understand the opening and deformation processes of two key sedimentary basins during the Neogene, and (2) to study the effects and imprints of the Messinian Salinity Crisis onto the basins.Tectonic and stratigraphic analysis of the thickest sedimentary accumulation called Western Alboran Basin (WAB) led to build an original tectonic scenario in the Miocene. Inception of extension was triggered by major crustal shear zones favoring the exhumation of the metamorphic basement. Then, the subsidence became most probably controlled by the slab-pull effect of the underlying oceanic slab. In the Betic Cordilleras, a second generation of sedimentary basins, as the Sorbas Basin, developed along metamorphic core complexes exhumed during an extension regime. A set of paleogeographic maps proposes to explain the formation of the Alboran basins in relation with deep geodynamic processes.Field studies evidenced that peripheral basins bounding the Alboran Sea have been affected by a significant subaerial erosional phase in response to the Messinian Salinity Crisis. Stratigraphic analysis of seismic profiles demonstrated the onshore/offshore continuity of fluvial canyon morphologies recognized on land. A new scenario is then proposed to explain the reopening of the worldwide oceanic connection with the Mediterranean realm after more than 160.000 years of emersion.

L'Afrique nord-occidentale, ou le Maghreb, occupe une position géographique toute particulière car bien que partie intégrante du continent africain, elle possède une façade septentrionale intégrée au domaine méditerranéen et un domaine méridional semi-désertique ou désertique. Dans un premier lieu, des études paléomagnétiques et biostratigraphiques basées sur la faune de rongeurs ont été effectuées sur des dépôts continentaux de deux bassins algériens (Tafna et El Eulma). L'étude magnétostratigraphique réalisée dans ce travail a permis de dater avec précision les différents gisements fossilifères et de les corréler avec les autres bassins néogènes d'Afrique du Nord.Dans la seconde partie, les nouvelles prospections paléontologiques dans le bassin d'Aït Kandoula au Maroc méridional ont amené à découvrir trois gisements fossilifères datés du Miocène terminal. Ces gisements ont livré une riche faune de micromammifères associés à des restes de grands mammifères. L'étude systématique des micromammifères et plus particulièrement des rongeurs des deux gisements AF12-1 et AF12-2 a permis d'identifier des taxons qui ont des affinités avec ceux d'Europe sud-occidentale. Ces deux nouveaux sites ont fourni de nouvelles indications quant aux échanges de faunes entre l'Afrique et l'Europe. Le genre Stephanomys est notamment signalé pour la première fois au Maroc. L'étude biochronologique couplée avec l'étude magnétostratigraphique a permis de bien dater ces gisements, apportant ainsi des indications fiables quant à la chronologie de différentes phases d'échanges fauniques entre l'Afrique nord-occidentale et l'Europe sud-occidentale. Les premiers échanges fauniques ont eu lieu 0,25 Ma avant la crise de salinité messinienne. En outre, certains taxons identifiés dans AF12-2 (Myocricetodon, Protatera, Atlantoxerus) se révèlent utiles comme indicateurs paléoenvironnementaux, attestant des conditions climatiques chaudes et sèches. / North-western Africa, or the Maghreb, occupies a special geographic position, being an integral part of the African continent, but also consisting of an integrated northern Mediterranean area and of a semi-desert or desertic southern area. In the first part, paleomagnetic and biostratigraphic studies based on rodent faunas were carried on continental deposits of two Algerian basins (Tafna and El Eulma). The magnetostratigraphic study realized in this work allowed to estimate the age of various fossiliferous deposits, and to correlate them with various other Neogene basins of North Africa.In the second part, new paleontological prospections in the Aït Kandoula basin (Morocco) led to the discovery of three fossiliferous deposits dated back to late Miocene. These deposits delivered a rich micromammalian fauna associated with large mammal remains. The systematic study of small mammals and especially rodents of deposits from both AF12-1 and AF12-2 allowed identifying taxa which have affinities with those of south-western Europe. These two new localities provide new information on the exchanges of faunas between Africa and Europe. The genus Stephanomys is reported here for the first time in Morocco. The biochronologic and magnetostratigraphic studies provide reliable information for the chronology of various phases of faunal exchanges between north-western Africa and south-western Europe. Faunal exchanges took place 0.25 Ma before the Messinian Salinity Crisis. In addition, some of the taxa identified in AF12-2 (Myocricetodon, Protatera, Atlantoxerus), are useful as paleoenvironmental indicators, attesting warm and dry climatic conditions.

La formation du gypse (CaSO4.2H2O) dans les bassins marginaux méditerranéens au cours du Messinien est contrôlée par la restriction des bassins et par le cycle hydrologique local. La compétition entre l’évaporation et l’apport d’eau douce par les rivières, en association avec des échanges limites avec la Méditerranée, ont permis la mise en place de conditions chimiques favorables à la formation du gypse. La restriction des bassins entraine, de plus, l’augmentation de la consommation de l’oxygène par les microorganismes, l’anoxie, et la mise en place d’un cycle biogéochimique actif du soufre. Au cours de cette étude, j’utilise la composition isotopique stable du gypse en tant que traceur des cycles de l’eau et du soufre dans les bassins marginaux. Le but est de mieux comprendre les conditions hydrologiques et géochimiques qui ont mené à la précipitation du gypse. Ce problème se place dans un débat actuel de la communauté scientifique, particulièrement depuis que de récents travaux proposent qu’une partie du gypse dans les bassins marginaux aurait pu précipiter à partir d’une colonne d’eau à faible salinité (£ 35 PSU) - hypothèse qui peut sembler peu réaliste d’un point de vue géochimique. J’ai mené une analyse isotopique à haute-résolution des couches de gypse qui composent les alternances cycliques gypse-marnes dans les bassins messiniens de Caltanissetta (BC, Sicile) et du Piémont (BP, nord-ouest de l’Italie). Ces alternances gypse-marnes correspondraient à l’expression sédimentaire des cycles astronomiques de précession (~20 ka), pendant lesquels les bassins marginaux ont subi une alternance de conditions climatiques arides et humides. Le cycle hydrologique a été trace grâce aux mesures des compositions isotopiques de l’oxygène et de l’hydrogène de l’eau de cristallisation des gypses ; le cycle biogéochimique du soufre a quant à lui été trace en mesurent les compositions isotopiques du soufre et de l’oxygène des ions sulfates des gypses. J’ai pu observer que : (1) les isotopes de l’eau piégée dans les gypses sont nettement plus légers que ceux théoriquement attendus pour des gypses ayant précipite uniquement à partir d’une eau de mer, et (2) l’eau du BC est caractérisée par un plus fort déficit en deutérium - compare à sa teneur en 18O - que l’eau du BP. Combine a un modèle hydrologique numérique, ces observations impliquent que (1) la précipitation des gypses est réalisée sous l’influence d’un apport d’eau douce fluviatile important, particulièrement au nord du BP, et est donc caractérisée par de très faibles salinités (27-50 psu pour le BC et 10-42 psu dans le BP) ; (2) le contraste de déficit en deutérium entre les deux bassins résultant de la différence de teneur en deutérium des flux évaporais respectifs, est contrôlée par a une différence d’humidité atmosphérique : cela implique que l’atmosphère au-dessus du BC était plus sèche que celle au-dessus du BP. Nous pouvons alors proposer qu’un gradient latitudinal d’humidité relative similaire à l’actuel existait au Messinien, apportant la preuve d’un climat de type méditerranéen dans la région il y a 5.97 Ma. La composition isotopique des ions sulfate suggère globalement une formation de gypse sous influence marine. Cependant, des divergences observées avec la signature marine messinienne mettent en évidence un cycle biogéochimique du soufre actif, contrôlé par la réduction des sulfates et l’oxydation des sulfures. En particulier : (1) les sulfates du BP enrichis en 18O et 34S sont indicateurs d’une sulfato-reduction dans un système géochimique ouvert ou la perte de 32S est liée a la formation de minéraux soufres sédimentaires ; (2) l’enrichissement (BC) ou l’appauvrissement (BP) significatifs en 18O dans les échantillons alors que la teneur en 34S est la même que celle de l’eau de mer indique une reoxydation de sulfure dans un système géochimique ferme d’un bassin marginal soit évaporait (BC) soit dilue (BP). / The formation of gypsum (CaSO4.2H2O) in Messinian Mediterranean marginal basins is controlled by basin restriction and the local hydrological cycle. Acting together, evaporation, river input and restricted water exchange with the Mediterranean basin bring about the chemical conditions for gypsum formation. Basin restriction also leads to enhanced microbial oxygen consumption, anoxia, and the triggering of active biogeochemical sulfur cycling. In this work I use the stable isotopic composition of gypsum as a proxy of water and sulphur cycling in the marginal basins. The goal is to better understand the hydrological and geochemical conditions that lead to gypsum precipitation. This is an open question, especially since recent work has proposed that part of the gypsum in marginal basins precipitated from a low-salinity (£ 35 PSU) water column - a hypothesis that seems unrealistic based on simple geochemical considerations. I carried out a high-resolution isotopic study of gypsum layers composing gypsum-marl cycles in the Messinian Caltanissetta (Sicily) and Piedmont (north-western Italy) marginal basins (CB and PB, respectively). These gypsum-marl cycles are thought to be the sedimentary expression of astronomical precession cycles (~20 kyr), during which the marginal basins experienced a succession of arid and wet conditions. The hydrological cycle was tracked by measuring the oxygen and hydrogen isotope composition of the gypsum-bound water molecule; the biogeochemical sulfur cycle was tracked by measuring the sulfur and oxygen isotope composition of the gypsum sulfate ion. I observed that: (1) the isotopes of gypsum-bound water are considerably lighter than those expected for gypsum precipitated via evaporation of seawater, and (2) water in the Caltanissetta basin was characterized by a higher deuterium deficit - compared to its 18O content - than water in the Piedmont basin. In conjunction with a hydrological box-model, these observations imply that (1) gypsum precipitation takes place under the influence of large riverine freshwater fluxes, particularly in the North Piedmont basin, that result in very low salinities (27-50 psu in CB and 10-42 psu in PB) and (2) the contrast in deuterium deficit results from atmospheric humidity-drived difference in the deuterieum content of the evaporative flux, implying that the atmosphere over the CB was drier than that over the PB. Thus, a latitudinal relative humidity gradient similar to the modern one existed in the Messinian, providing evidence for a Mediterranean-like climate in the region 5.97 million years ago. The isotopic composition of the gypsum sulfate ion suggests that it originates from coeval sea water. Deviation from the Messinian marine signature, however, highlights an active biogeochemical sulfur cycle driven by sulfate reduction and sulfide oxidation. In particular, (1) 18O- and 34S-rich sulfate in the Piedmont basin indicates sulfate-reduction in a geochemically open system where 32S is lost to sedimentary sulfide minerals, and (2) significant 18O-enrichment (CB) or 18O-depletion (PB), in samples where the 34S concent is that of seawater, indicates re-oxidation of sulphide in a geochemically closed system of an evaporative (CB) or dilution (PB) marginal basin. A strong relation between the hydrological cycle and the biogeochemical cycle is thus highlighted in marginal Messinian basins

La marge du golfe du Lion est issue d'une période de rifting Oligo-Aquitanienne suivie de l'ouverture océanique du bassin Provençal vers le Burdigalien. Deux périodes ont été particulièrement étudiées au cours de cette thèse :<br />· L'événement messinien qui constitue un jalon (entre 5,96 et 5.33 Ma) de l'histoire du bassin. Son étude est indispensable à l'interprétation des séries antérieures.<br />· Et la période de formation de la marge, des débuts de l'extension continentale (35-30 Ma) à l'océanisation (20 Ma environ)<br />Cette étude repose sur une synthèse de toutes les données (essentiellement industrielles) disponibles sur le plateau, la pente et le bassin profond du golfe du Lion. Cette importante base de données a été rassemblée dans le cadre du GDRMarges (atelier golfe du Lion).<br /><br />L'étude des géométries sédimentaires sur la marge et dans le bassin profond apporte des éléments nouveaux dans la compréhension de la crise messinienne :<br />· Le premier élément est l'identification, à la transition entre la plate-forme érodée par les fleuves messiniens et le bassin, d'une épaisse série détritique (jusqu'à 1000 m d'épaisseur). La base de cette série érode directement le rebord de la plate-forme miocène et correspond à la première trace de l'événement messinien dans le bassin. Cet épisode détritique correspond à la « crise d'érosion messinienne » qui intervient avec l'exondation de la plate-forme du golfe du Lion avant l'apparition des premières évaporites du bassin. Une chute de quelques centaines de mètres est suffisante à ce stade pour démanteler la plate-forme miocène.<br />· Le deuxième élément important est l'identification, entre l'épisode détritique initial et la halite messinienne bien connue dans le bassin, d'une épaisse série à évaporites inférieures (environ 1500 m). Cette période marque le début de la « crise de salinité messinienne ».<br />· Un troisième résultat concerne le ré ennoiement du bassin juste après le dépôt de la halite messinienne (celle-ci représente le plus bas niveau marin). Nous avons identifié une surface d'abrasion marine, témoin de la transgression de la ligne de rivage, entre les premiers indices de dépôt de la halite et la surface d'érosion fluviatile messinienne. La limite entre cette abrasion marine et la surface aérienne est située à une profondeur constante de 1.6 secondes temps double. Cette limite représente la ligne de rivage juste avant une accélération suffisante de la transgression pour fossiliser la surface d'érosion fluviatile messinienne (autours de 5.3 Ma).<br />Nous identifions au total près de 3500 m de sédiments déposés depuis la « crise d'érosion messinienne » jusqu'au ré ennoiement du bassin. La plate-forme enregistre quant à elle une perte sédimentaire (due à l'érosion) pouvant atteindre 1000 m. Ces transferts sédimentaires énormes ont des conséquences importantes sur l'évolution de la marge. Les premiers résultats issus d'un backstriping 1D et prenant en considération ces interprétations stratigraphiques suggèrent que le bassin était profond de l'ordre de 3500 m avant la crise messinienne. L'étude détaillée des réajustements isostatiques liés à l'événement messinien reste à faire et nous permettra de mieux comprendre comment réagit la croûte à des contraintes de charge.<br /><br />L'étude des structures de la croûte et de la sédimentation initiale de la marge du golfe du Lion (avec plusieurs surfaces d'érosions majeures identifiées et datées) nous permet d'avancer les résultats suivants :<br />· L'ensemble du substratum, mésozoïque et paléozoïque, parait largement érodé. Cette érosion affecte l'ensemble de la marge, pratiquement jusqu'à la zone « océanique ». Une position surélevée de cette zone jusqu'à la fin de l'épisode de rifting est mise en évidence. Cette position haute contraste avec la zone camarguaise où un important bassin synrift Oligocène est connu. <br />· A partir de l'Aquitanien (fin du rifting), la rupture se produit et semble limitée à une zone étroite d'environ 50Km. L'ensemble du golfe du Lion s'affaisse alors.<br />La question se pose de savoir si ce golfe du Lion qui a été soulevé et érodé sur toute sa largeur pendant le rifting, avant de subsider, résulte d'un héritage ou s'il doit sa configuration à l'ouverture du bassin Provençal.<br />A l'échelle du bassin, la marge homologue Sarde présente des caractéristiques équivalentes : toute la zone centrale, homologue du golfe du Lion, est largement affaissée, entre les zones restées hautes de l'Iglesiente et de la Nurra. Comme dans le golfe du Lion, les dépôts synrift parraissent peu développés. Il semble donc évident que c'est bien l'ouverture du bassin Provençal qui contrôle l'évolution verticale du golfe du Lion.<br /><br />Ces résultats nous permettent de proposer une histoire de la marge du golfe du Lion en trois temps. Tout d'abord un événement thermique profond maintient la plate-forme exondée pendant l'épisode initial de rifting. Dans un deuxième temps la rupture se fait (Aquitanien supérieur, vers 20 Ma) et le premier socle « océanique » atypique (zone de transition) se met en place. Le troisième temps correspond à la mise en place de la croûte océanique proprement dite au centre du bassin.

Les variations du niveau de base entraînent une perturbation de la dynamique érosive d'un système continental. Une chute du niveau de base se traduit par la propagation d'une incision fluviatile vers l'amont entraînant un rajeunissement du paysage. Cette étude a pour but de montrer comment cette érosion affecte l'évolution d'un paysage, suivant les paramètres du système morphologique préexistant. Elle s'appuie sur un exemple préservé de chute du niveau de base de grande ampleur pendant la Crise de Salinité Messinienne en Méditerranée il y a 5.5 Ma. L'étude morphologique des incisions messiniennes couplée à une modélisation numérique montre qu'il existe une dichotomie entre la vitesse de croissance d'un réseau et ses effets sur l'évolution à long terme d'un paysage en présence d'une pente régionale préexistante. L'absence de pente régionale peut conduire à une modification drastique comme la capture de l'Atlantique au niveau de Gibraltar qui a entraîné la fin de la Crise Messinienne.