Les orogènes à double vergence sont classiquement définis comme deux prismes critiques opposés (pro et retro) qui évoluent ensemble. Les études récentes montrent que les rétro-prismes et leurs bassins d’avant-pays associés se comportent différemment des pro-prismes. Cependant, ni les facteurs qui mènent un orogène à devenir doublement vergent, ni la relation entre le pro- et rétro-prisme ne sont bien compris. Le but de cette étude est d'améliorer notre connaissance 1) de la relation entre le pro- et le rétro-prisme pendant l'orogénèse, 2) des facteurs contrôlant l'évolution d'un orogène à double vergence, et 3) d’un lien dynamique possible entre le pro- et le rétro-prisme. Répondre à ces questions nécessite une connaissance améliorée de l'évolution d'un orogène à double vergence. Nous nous sommes concentrés sur les Pyrénées Orientales, en raison de la grande quantité de données disponibles. Nous avons effectué une étude de terrain tectono-stratigraphique détaillée à l’est du Massif de Saint Barthelemy et dans l’avant-pays autour de Lavelanet (plaque Européenne). Notre interprétation d’une coupe restaurée intègre une configuration crustale pré-orogenique en tant qu'une marge hyper-amincie. Nous relions l'évolution détaillée du rétro-prisme à celle du pro-prisme (plaque Ibérique), afin de mieux contraindre la dynamique à l'échelle crustale. Nous subdivisons l'évolution des Pyrénées Orientales en quatre phases. La première phase (Crétacé Supérieur) est caractérisée par la fermeture d'un domaine de manteau exhumé entre les plaques et l'inversion synchrone d'un système de rift riche en sel et thermiquement déséquilibré. Le raccourcissement était distribué de façon égale entre les deux marges pendant cette première phase d’inversion. Une phase de quiescence (Paléocène), limitée au rétro-prisme, enregistre la transition entre l'inversion et la phase de collision. La phase de collision principale (Éocène) enregistre le taux de raccourcissement le plus élevé, et était principalement accommodé dans le pro-prisme. Pendant la phase finale (Oligocène) le rétro-prisme était largement inactif et le raccourcissement du pro-prisme a ralenti. Cela démontre que la relation entre le pro- et rétro-prisme change avec le temps. Nous avons utilisé des modèles numériques 2D thermomécaniques à l'échelle lithosphérique pour simuler l'évolution d'un orogène à double vergence s'initie après avec un rift. Nos résultats montrent un modèle évolutif similaire à celui observé dans les Pyrénées Orientales avec une phase d'inversion du rift approximativement symétrique suivie d'une phase de collision asymétrique. L'héritage du rift est essentiel pour permettre le développement d’un orogène à double vergence. Des autres facteurs, comme les processus de surface et la déformation de la couverture, ont un effet significatif sur la structure crustale et la répartition du raccourcissement entre les deux prismes. Un niveau de décollement (sel) à la base de la couverture favorise la formation d'un empilement antiformal d’écailles crustales, similaire à la géométrie observée dans la Zone Axiale des Pyrénées, en formant un prisme à faible pente qui force la déformation crustale à se concentrer dans l'arrière-pays. Enfin, nous montrons que l'évolution des pro- et rétro-prismes est inextricablement liée : des événements ou des conditions d'un côté de l'orogène ont un effet direct sur l'autre côté de l'orogène. Ceci est clairement démontré dans nos modèles par des variations constantes des taux de raccourcissement du pro- et rétro-prisme en réponse à l'accrétion dans le pro-prisme. Le Haut Atlas (Maroc) et Pyrénées peuvent être respectivement considérés comme des exemples d'inversion de rift symétrique et de phases de collision asymétrique ultérieures / The doubly vergent nature of some natural orogens is classically understood as two opposing thrust wedges (pro and retro) that comply with critical taper theory. The evidence that retro-wedges and their associated basins behave differently from their pro-wedge counterparts has been steadily increasing over the past few decades. However, what causes an orogen to become doubly vergent is currently not well understood. Nor is the relationship between the pro- and retro-wedge during the evolution of a doubly vergent orogen. It is the aim of this work to improve our understanding of: 1) how the pro- and retro-wedges relate to each other during the orogenic process, 2) what factors control the evolution of a doubly vergent orogen and 3) a possible link between the pro- and retro-wedge. Answering these questions requires an improved knowledge of the evolution of a doubly vergent orogen. We focussed on the Eastern Pyrenees as a type example of a doubly vergent orogen, due to the large amount of available data. We performed a detailed tectonostratigraphic study of the retro-foreland of the Eastern Pyrenees (European plate), updating the interpretation based on recent insights into its hyperextended rift origins. We link the evolution of the retro-foreland to that of the pro-foreland (Iberian plate) in order to derive insight into the crustal scale dynamics. Based on cross section restoration, reconstructed shortening rates and subsidence analysis, we subdivide the East Pyrenean evolution into four phases. The first (Late Cretaceous) phase is characterised by closure of an exhumed mantle domain between the European and Iberian rifted margins, and simultaneous inversion of a salt-rich, thermally unequilibrated rift system. Shortening was distributed roughly equally between both margins during this early inversion phase. Following inversion, a quiescent phase (Paleocene) was apparently restricted to the retro-foreland. This phase may record the period of transition between inversion and full collision in the Eastern Pyrenees. The main collision phase (Eocene) records the highest shortening rates, which was predominantly accommodated in the pro-wedge. Retro-wedge shortening rates were lower than during the rift inversion phase. During the final phase (Oligocene) the retro-wedge was apparently inactive and shortening of the pro-wedge slowed. This demonstrates that the relationship between the pro- and retro-wedges changes through time. We used lithosphere-scale thermo-mechanical numerical models to simulate the evolution of a doubly vergent orogen. Our results show a similar evolutionary pattern as observed in the Pyrenees: A roughly symmetrical rift inversion phase is followed by an asymmetric collision phase. Rift inheritance was found to be essential for enabling double vergence. Other factors, such as surface processes and thin-skinned deformation, were found to have a significant effect on the crustal structure and strain partitioning between both wedges. A salt décollement layer in the sedimentary cover promotes the formation of a crustal antiformal stack such as observed in the Pyrenees and Alps by forming a wide and low-taper thin-skinned fold-and-thrust belt that forces crustal deformation to focus in the hinterland. Finally, we show that the evolution of the pro- and retro-wedges is inextricably linked: events or conditions on one side of the doubly vergent orogen have an immediate effect on the other side of the orogen. This is clearly demonstrated in our models by constant variations in shortening rates of the pro- and retro-wedge in response to accretion of new pro-wedge thrust sheets. The High Atlas (Morocco) and Pyrenees can be seen as examples of symmetric rift inversion and later asymmetric collision phases, respectively

Les orogènes collisionnels sont classiquement décrits comme le résultat de l'accrétion continentale de marges proximales. Cette accrétion conduit à la surrection des reliefs et à l'export important de produits d'érosion dans les bassins d'avant-pays qui les jalonnent. Dans ce schéma géodynamique sont alors uniquement considérés les domaines pré-orogéniques les moins déformés. Pourtant, un nombre croissant d'évidences géologiques de terrain indiquent la conservation voire la réutilisation de structures héritées de la phase extensive précédant la convergence et la collision au coeur des orogènes. À partir de l'étude géo-thermochronométrique de la bordure orientale du domaine hyper-étiré nord-pyrénéen (massif de l'Agly, Zone Nord Pyrénéenne) et de son avant-pays précoce (synclinal de Rennes-les-Bains, Bassin Aquitain), cette thèse a pour objectifs de décrire l'évolution d'une marge distale au cours des premiers stades de convergence, de quantifier les processus source-réceptacle associés et d'apporter des contraintes temporelles et paléogéographiques quant à la création des tout premiers reliefs pyrénéens issus de son inversion. Grâce à l'utilisation du multi-thermochronomètre (U-Th)/He sur zircon et apatite, deux épisodes de refroidissement sont mis en évidence dans le prisme nord-pyrénéen (Campano-Maastrichtien et Eocène), chacun d'eux synchrone d'une phase de subsidence dans le bassin d'avant-pays. J'ai ainsi pu proposer un modèle équilibré d'évolution d'une marge distale hyper-amincie par inversion de structures héritées, chevauchements de socle et sous-placage continental se matérialisant par une signature thermochronologique claire de refroidissement sans érosion au début de la convergence. L'absence d'enregistrement de refroidissement au Paléocène par l'arrêt prématuré de l'inversion précoce dans le prisme nord-pyrénéen indique l'absence significative d'érosion et la position bordière de ce prisme par rapport à un édifice déjà construit plus à l'est à cette époque. Pour caractériser cet édifice aujourd'hui disparu du fait de l'ouverture du Golfe du Lion, j'ai utilisé une approche détritique de double datation in situ (U-Th)/He - U/Pb sur zircon et mis en évidence une histoire de dénudation rapide pendant le Campano-Maastrichtien, caractéristique de la création d'une topographie précoce. Ce travail montre pour la première fois clairement la migration progressive de la déformation d'est en ouest par l'inversion de structures héritées au début de la convergence pyrénéenne, ce qui suggère l'existence d'un domaine ouvert à l'est à la fin de l'épisode extensif précédant la convergence. Cette étude met en avant le rôle de l'architecture des systèmes hyper-amincis dans la formation des orogènes collisionnels et confirme les liens étroits existant entre un orogène et ses bassins d'avant-pays. / Collisional orogens are classically described as the result of continental accretion of proximal margins. This accretion leads to the creation of relief and to the important export of erosion products in the directly adjacent foreland basins. In this geodynamic scheme, only the least deformed pre-orogenic domains are considered. However, a growing number of geological field evidences indicate the preservation or even the reuse of structures inherited from the rifting phase preceding convergence and collision within orogens. By conducting a geo-thermochronometric study of the easternmost, inverted hyperextended Aptian-Cenomanian rift system (Agly massif, North Pyrenean Zone) and the adjacent early retroforeland (Rennes-les-Bains syncline, Aquitaine Basin), this thesis aims to describe the evolution of a distal rifted margin during the first stages of convergence, to quantify the associated source-to-sink processes and to provide temporal and paleogeographic constraints regarding the creation of the very first Pyrenean reliefs resulting from inversion of the margin. Using the zircon and apatite (U-Th)/He multi-thermochronometers, I show that the Pyrenean retro-wedge records two clear phases of orogenic cooling, Late Campanian-Maastrichtian and Ypresian-Bartonian, which I relate to early inversion of the distal rifted margin and main collision, respectively. I have thus been able to propose a crustal-scale sequentially restored model for the tectonic and thermal transition from extension to peak orogenesis in the eastern Pyrenees, which suggests that both thrusting and underplating processes contributed to early inversion of the Aptian-Cenomanian rift system. The absence of Paleocene cooling record indicates little to no erosion of the Pyrenean retro-wedge, suggesting the existence of a more easterly source area supplying early retroforeland sediments at this time. To characterize this eastern edifice, which has since been destroyed by the Oligocene-Miocene opening of the Gulf of Lion, I used in situ (U-Th)/He - U/Pb double dating on detrital zircons and show rapid denudation rates during early convergence, characteristic of early topographic growth. This work shows for the first time clearly the progressive migration of deformation from east to west by inversion of inherited structures at the beginning of Pyrenean convergence. This suggests the existence of an open domain in the east at the end of the rifting phase preceding convergence. This study highlights the role of the architecture of hyper-thinned systems in the formation of collisional orogens and confirms the close links between an orogen and its foreland basins.