Ce travail de thèse concerne une transversale complète des Pyrénées centro-occidentales, où on a combiné la thermochronologie basse température (traces de fission sur apatites, TFA) avec une analyse structurale détaillée pour décrire les mouvements verticaux associés à l'évolution du système chevauchant, et pour déterminer l'influence de ce dernier sur le cycle sédimentation/enfouissement/exhumation des dépôts synorogéniques du bassin d'avant-chaine sud (bassins de Jaca et Ainsa). L'analyse TFA complète les données déjà publiées dans la Zone Axiale et la Zone Nord-Pyrénéenne, et constitue la première étude de ce genre dans un bassin d'avant-chaîne pyrénéen. Les données TFA sur la transversale du bassin sud-pyrénéen montrent une diminution vers le sud du degré d'effacement des traces de fission, traduisant la diminution vers le sud de la quantité d'enfouissement, supérieure à 5 km au nord et inférieure à 3 km au sud dans l'hypothèse un géotherme de 25°.km-1. Le contexte géologique montre que l'enfouissement est principalement lié à l'accumulation des dépôts synorogéniques. Les données TFA de la partie nord du bassin montrent un refroidissement d'âge Oligocène supérieur-Miocène inferieur (moyen). Par ailleurs, une nouvelle interprétation de profils de sismiques réflexion dans le bassin de Jaca montre que le chevauchement d'Oturia s'enracine dans le chevauchement de socle de Bielsa, responsable de l'exhumation tectonique hors-séquence du bord sud de la Zone Axiale au Miocène inférieur (-moyen) (Jolivet et al., 2007). Ces résultats attestent donc de l'exhumation tectonique hors-séquence au Miocène inférieur (Burdigalien- ?Langhien) de la partie nord du bassin d'avant-chaine sud-pyrénéen. Des données TFA obtenues dans la Zone Axiale et la Zone Nord-Pyrénéenne confirment la migration générale vers le sud du système chevauchant, et mettent également en évidence la réactivation tectonique hors-séquence du bord nord de la Zone Axiale à l'Oligocène terminal-Miocène inférieur. L'ensemble de ces résultats atteste donc de la réactivation en « pop-up » de la parties interne des Pyrénées centre-ouest à l'Oligocène supérieur-Miocène inférieur (Burdigalien- ?Langhien), postérieurement au scellement du front sud-pyrénéen (Aquitanien- ?Burdigalien) classiquement considéré comme marquant la fin de la compression pyrénéenne. Ces données nous ont permis de proposer un nouveau modèle d'évolution crustale des Pyrénées centro-occidentales en 3 grandes étapes : (i) du Crétacé supérieur à l'Eocène moyen, le prisme est caractérisé par une absence de relief, en lien avec l'inversion de structures extensives crétacées conduisant à l'accrétion de petites écailles crustales ; (ii) la période Eocène supérieur-Oligocène correspond à la collision continentale proprement dite, et est marquée par la création d'importants reliefs associés à l'accrétion d'épaisses unités crustales ; (iii) au Miocène inférieur, la partie interne du prisme pyrénéen est réactivée. / In this work on a complete transect of the west-central Pyrenees, we combine low temperature thermochronology (apatite fission tracks, AFT) with a detailed structural analysis to describe vertical movements related to the thrusting system evolution, and to determine the influence of the latter on the sedimentation/burial/exhumation cycle of the synorogenic deposits of the southern foreland basin (Jaca and Ainsa basins). AFT analysis from a transect of the south-Pyrenean basin show the southward decrease of the fission track reset level from the southern edge of the Axial Zone to the South-Pyrenean frontal thrust, implying the southwards decrease of the burial amount from more than 5km in the north to less than 3km in the south assuming an average geothermal gradient of 25°C.km-1. The structural setting of the Jaca basin attests that the burial of the synorogenic sediments was mainly due to the sedimentary accumulation. AFT data from the northern part of the basin display a late Oligocene-early (middle) Miocene cooling event. New interpretation of industrial seismic reflection profiles across the Jaca basin suggests that the Oturia thrust is rooted in the Bielsa basement thrust, responsible for the early (-middle) Miocene out-of-sequence tectonic reactivation of the southern flank of the Axial Zone (Jolivet et al., 2007). These results reveal a lower Miocene (Burdigalian -?Langhian) out-of-sequence episode of tectonic activity of the interior of the south-Pyrenean foreland basin. AFT data from the Axial Zone and the North-Pyrenean Zone confirm the general southward migration of the thrusting system, and also bring evidence of the late Oligocene-lower Miocene out-of-sequence tectonic reactivation of the northern flank of the Axial Zone. All these results attest of a late Oligocene-lower Miocene (Burdigalian-?Langhian) 'pop-up' reactivation of the inner part of the west-central Pyrenees, younger than the sealing of the south-Pyrenean front (Aquitanian-?Burdigalian) which is classically considered to mark the end of the Pyrenean compression. These results lead us to propose a new crustal scale evolution model of the west-central Pyrenees in 3 stages: (i) From the Late Cretaceous to the middle Eocene, the orogenic prism is characterised by the absence of relief, related to the inversion of Cretaceous extensional structures leading to the accretion of thin crustal units; (ii) The late Eocene-Oligocene stage corresponds to the continental collision, marke d by the creation of important relief associated with the accretion of thick crustal units; (iii) During the early Miocene, the inner part of the Pyrenean wedge is tectonically reactivated.

Deux questions scientifiques critiques sont adressées dans cette thèse présentées comme suit. ( 1 ) L’évolution mésozoïque du bassin d’avant-pays dans les piémonts nord et sud du Tian Shan. ( 2 ) L’évolution au Cénozoïque précoce du soulèvement du Tian Shan. Dans le chapitre 1, l'évolution du nord Tian Shan est étudiée par datation U/Pb (LA- ICP-MS) de zircons détritiques sur 14 échantillons de grès d'une série continue d’âge fin Paléozoïque à Quaternaire dans la marge sud du bassin de Junggar (région de Manasi). Dans le chapitre 2, l'évolution encore mal contrainte entre le Mésozoïque et le début du Cénozoïque de la marge sud-ouest du Tian Shan est étudiée en utilisant les datations U/Pb ( LA- ICP-MS ) sur zircons détritiques et les traces de fission sur apatites détritiques. Dans le chapitre 3, nous présentons une étude magnétostratigraphique détaillée de la zone Ulugqat au sud-ouest du Tian Shan, dans le but d'améliorer la compréhension de son soulèvement et de l'histoire de la déformation de la région au cours du Cénozoïque. Ce travail à permis de montrer que l'érosion du paléo-Tian Shan commencée au Trias moyen s’est traduite par le pénéplanation générale au Mésozoïque du Tian Shan qui était dominé par un système de drainage large pendant une longue période de quiescence tectonique. Le piémont nord du Tian Shan était caractérisé par un bassin en subsidence thermique post- extensive avec peu d'activité tectonique, et le piémont sud a également connu un aplanissement général de la topographie. Au cours du début du Jurassique, du Crétacé inférieur et du Crétacé supérieur, trois inversions tectoniques mineures sont identifiées avec des ajustements du bassin d’avant-pays du Tian Shan. Ces inversions peuvent correspondre respectivement à l’accrétion des terrains Cimmérien, de Lhassa, et du Kohistan-Dras à la limite sud de la plaque eurasienne. Les données U-Pb sur zircons détritiques et les données traces de fission sur apatite indiquent une première réorganisation du bassin à la fin du Crétacé – début du tertiaire, contemporaine d’une réactivation de l’érosion le long du piémont sud du Tian Shan. Nous avons interprété cette réactivation fin Crétacé – début Paléogène du Tian Shan sud à la réponse initiale des effets lointains de la collision Inde-Eurasie. Pendant le reste du Cénozoïque, la principale réactivation du Tian Shan est initiée fin Oligocène – début Miocène. Cela est attesté dans le piémont nord du Tian Shan par nos données U-Pb sur zircons détritiques et dans le piémont sud du Tian Shan par les données traces de fission sur apatite suggérant des chevauchements entre 18 et 16 Ma, par les résultats magnétostratigraphiques révélant une importante lacune de sédimentation oligocène ainsi que l’augmentation des taux d’accumulation à ~ 18.5 Ma. / Two critical scientific issues are adressed in the présent thesis as follows. (1) Mesozoic basin-range relationship in the northern and southern piedmonts of the Tian Shan. (2) Spatio-temporal differences in the Early Cenozoic uplift of the Tian Shan. In chapter 1, the évolution of the northern Tian Shan is investigated through U/Pb (LA-ICP-MS) dating of detrital zircons from 14 sandstone samples from a continuous series ranging in age from latest Palaeozoic to Quaternary in the southern margin of the Junggar Basin (Manasi area). In chapter 2, the still poorly constrained Mezosoic to early Cenozoic evolution of the southwestern Tian Shan piedmont is investigated using U/Pb (LA-ICP-MS) dating of detrital zircons and fission track analysis on detrital apatites. In chapter 3, we present a detailed magnetostratigraphic study from the Ulugqat area in piedmont of the Southwest Tian Shan, in order to improve understanding of the uplift and deformation history of the Southwest Tian Shan during the Cenozoic. This work enabled to show that erosion of the Paleo-Tian Shan initiated in the Middle Triassic results in the general peneplanation of the Mesozoic Tian Shan dominated by a wide drainage system and long-lasting tectonic quiescence. The northern piedmont of the Tian Shan was characterized by a post-extensional thermally subsiding basin without much tectonic activity, and the southern piedmont also experienced a general flattening of topography. During the Early Jurassic, Early Cretaceous and Late Cretaceous, three identified minor tectonic inversions and adjustments of basin-range pattern in the Tian Shan, may potentially correspond respectively to the accretions of Cimmerian, Lhasa, and Kohistan-Dras in the southern margin of the Eurasian plate. Detrital zircon U-Pb and apatite fission-track data indicate an initial late Cretaceous – Early Tertiary basin reorganization and coeval renewed erosion along the southern Tian Shan piedmont. We interpreted this late Cretacesou to Paleogene activity in STS as the initial response of the distant effects of India-Eurasia collision as previously argued. During the Late Cenozoic, the major reactivation of the Tian Shan initiated around the Late Oligocene-Early Miocene times. This is evidenced mainly from the detrital zircon U-Pb geochronology in the northern piedmont of the Tian Shan, the apatite fission-track data suggesting a possible activation of the Talas Fergana Fault between 18 and 16 Ma, the major Oligocene depositional hiatus and conspicuous increase in accumulation rates at ~ 18.5 Ma revealed by the magnetostratigraphic results in the southern piedmont of the Tian Shan.

La dynamique des cratons reste, encore actuellement, énigmatique dans la mesure où ceux-ci sont souvent considérés comme des domaines stables à l’échelle des temps géologiques. Dans ce travail, nous avons reconstitué l’évolution d’un des plus grands cratons, le Craton Ouest Africain. Nous nous sommes également penchés sur l’étude de ses bordures nord et ouest (Anti-Atlas et marge atlantique respectivement). Cette étude utilise les méthodes de thermochronologie basse-température (traces de fission et (U-Th-Sm)/He sur apatite) ainsi que la géologie structurale. Le choix de ce craton est justifié par les multiples contextes géologiques dont témoignent ses bordures au cours du Phanérozoïque (plateforme, avant-pays distal, marge passive). Ces contextes variés au cours du temps en font donc une cible idéale pour évaluer l’influence des diverses forces susceptibles d’affecter le craton.Tout d’abord, suite à une subsidence importante au cours du Paléozoïque, le craton enregistre un refroidissement important entre le Jurassique supérieur et le Crétacé inférieur, postérieurement à l’ouverture de l’Atlantique Central. Cet événement n’est pas directement lié aux seuls processus affectant les marges passives puisque non seulement la marge est affectée, mais aussi l’intérieur du craton (jusque 800 km à l’intérieur des terres) et le domaine mobile non-cratonique au Nord. Ce refroidissement traduit une phase d’exhumation kilométrique qui permet alors le dépôt d’une épaisse séquence détritique sur la plateforme saharienne. L’hypothèse d’un raccourcissement comme explication n’est pas valide et l’hypothèse d’une anomalie thermique mantellique à cette époque rend mieux compte de cet événement d’érosion majeur. L’hypothèse thermique possède un autre avantage : celui de rendre compte du réchauffement qui suivit à l’Apto-Albien et au début du Crétacé supérieur, à la fois par le craton mais aussi par ses bordures, par le biais de la subsidence thermique.Deuxièmement, à partir du Crétacé supérieur, la tendance générale est au refroidissement dans toute la région étudiée, synchrone avec l’initiation de la convergence Afrique/Europe. La chaîne du Haut Atlas au Maroc représente à ce moment un témoin privilégié des déformations se produisant pendant le Cénozoïque. Nous avons déterminé un calendrier tectonique précis dans l’avant-pays méridional de la chaîne, afin d’avoir un point de comparaison avec l’enregistrement cratonique. Ainsi, une première phase tectonique se déroule à l’Eocène supérieur. Celle-ci fait écho à un événement de déformation de plus grande échelle qui affecte toute le craton, résultant sans doute d’une réorganisation de grande ampleur dans la dynamique de la convergence. La phase récente Plio-Quaternaire est bien décrite à l’échelle de l’Afrique du Nord dans la chaîne Atlasique, mais pourrait s’avérer trop récente pour pouvoir être décelée par nos thermochronomètres à l’intérieur du domaine cratonique. Enfin, une phase de soulèvement spécifique au domaine atlasique marocain est enregistrée pendant le Miocène inférieur-moyen et met en place des nappes dans la chaîne. Les thermochronomètres basse-température ne la détectent pas à l’intérieur du craton, et elle pourrait donc être géographiquement restreinte au domaine atlasique.Ce travail a démontré que l’absence de sédiments au cours du Méso-Cénozoïque, qui en première approche font de ce craton une zone dite « stable », occulte une réalité géologique autre, faite de la succession de plusieurs phases épeirogéniques. Une évaluation des processus à l’œuvre permet de proposer que les phénomènes mantelliques ainsi que les transferts de contraintes sont des acteurs majeurs à l’origine de ces mouvements. Néanmoins, la juste contribution de chacun de ces processus nécessite encore un travail approfondi. / The dynamic evolution of cratonic domains remains enigmatic as they are usually considered as stable through geological times. In this work, we unraveled the evolution of one of the largest cratonic area, the West African Craton (WAC), and its north and west boundaries (Anti-Atlas and Atlantic passive margin, respectively), through low-temperature thermochronology (apatite fission-track and (U-Th)/He thermochronology) and structural geology. The WAC was studied since its boundaries witnessed many different geological settings (platform, distal foreland, passive margin) during the Phanerozoic, making it a good candidate to evaluate the various driving forces acting on the craton.First, after a continuous Paleozoic subsidence, the craton records the most important cooling event between Late Jurassic and Early Cretaceous, postdating the onset of the Central Atlantic Ocean spreading. This event is unrelated to the sole passive margin in itself and affected both the craton (up to 800 km inland) and the mobile boundary in the north (Anti-Atlas and High Atlas). It represents kilometer-scale erosion that led to the deposition of thick detrital formations, the red beds, across the whole Saharan platform. This event is not characterized by shortening and is better explained through a mantle-related thermal anomaly during this exhumation. The thermal hypothesis explains the subsequent thermal subsidence undergone by the craton and its north boundary during the Aptian-Albian and the early stages of the Late Cretaceous.Second, from Late Cretaceous onward, dominant cooling trend has imprinted the thermal histories of the studied region, coevally with the onset of the Africa/Europe convergence.The High Atlas belt in Morocco is an accurate witness of the deformations occurring during Cenozoic times. We determined the precise tectonic schedule in the southern foreland of the belt and compared this evolution with the cratonic one. We show that the first Eocene tectonic event echoes to a major craton-scale deformation and results probably from a significant geodynamic change in the convergence zone. The Pliocene-Quaternary phase, well known at the North African scale, is only recorded in the Atlas belt, but might be too recent to have significantly imprinted the thermochronological record inside the craton. Finally, another uplift specific to the Moroccan Atlas Belt during Early to Middle Miocene led to the emplacement of tectonic nappes. This event is not recorded by LTT on the craton and may be restricted to its mobile boundary.This work demonstrates that, despite the lack of Mesozoic-Cenozoic sediment record that may advocate for a stable geological history, the West African Craton suffered significant epeirogenies during this period. Deep seated processes as well as stress transmission prove to be good candidates to account for these cratonic motions, although further work is needed to unravel the exact contribution of these various processes.

Ce manuscrit concerne l'analyse tectonique et géomorphologique du système de failles de Longriba (LFS), localisé à l'Est du plateau tibétain à environ 200 km au Nord-ouest de la chaîne des Longmen Shan. Le LFS est constitué de deux zones de failles décrochantes dextres, parallèles et d'orientation N55°E : la faille de Longriqu, au Nord, et la faille de Maoergai, au Sud. Le rôle géodynamique de ce système est primordial puisqu'il accommode 5 ± 1 mm/an de la composante décrochante induite par la convergence oblique du bloc Aba, elle-même liée à la collision Inde-Asie. De plus, le LFS partitionne la déformation de la marge Est tibétaine; les structures des Longmen Shan étant essentiellement chevauchantes. Cependant l'histoire long-terme du LFS est mal contrainte. L'objectif de cette thèse est donc d'apporter des informations spatio-temporelles sur l'activité du système à l'échelle du Cénozoïque. Pour cela trois études ont été réalisées. La première a permis de mieux contraindre le comportement sismogénique des deux zones de failles à l'aide d'images satellites de basse (90m) et très haute résolution (50cm). L'analyse des déplacements cumulés le long de la faille de Maoergai a permis de proposer que celle-ci était active vers ~15Ma. La seconde étude a mis en évidence un contrôle du système sur la répartition des taux de dénudation au travers de la marge Est tibétaine à l'échelle de l'Holocène. Enfin, les données de thermochronologie basse température suggèrent que la faille de Maoergai a accommodé un mouvement vertical vers ~10Ma. Ce mouvement est probablement lié au rebond isostatique de la marge, découplé du mouvement décrochant qu'elle accommode à la même période. / This manuscript concerns the tectonic and geomorphic analysis of the Longriba fault system (LFS), located in the eastern Tibetan plateau at about 200 km north-west of the Longmen Shan. The LFS consists of two dextral strike-slip fault zones, parallel and N55 °-trending: the Longriqu fault to the north and the Maoergai fault the south. The geodynamic role of the system is essential as accommodates 5 ± 1 mm / year of the slip component induced by the oblique convergence of the Aba block, itself linked to the India-Asia collision. In addition, the LFS partitions the deformation of the east Tibetan margin; the structures of the Longmen Shan are mainly thrust faults. However the long-term history of LFS is poorly constrained. The objective of this thesis is to bring spatial and temporal information on system activity throughout the Cenozoic. To do so, three studies were performed. The first led to better constrain the seismogenic behavior of the two fault zones with low resolution (90m) and very high resolution satellite images (50cm). The analysis of cumulative displacements along the Maoergai fault allowed to propose that it was active at ~ 15 Ma. The second study showed that the system controls the distribution of the denudation rates over the EastTibetan margin throughout the Holocene. Finally, the low-temperature thermochronology data suggest that, in particular, the Maoergai fault has accommodated a vertical movement at ~ 10 Ma. This movement is probably related to the isostatic rebound of the margin, decoupled from the strike-slip movement it accommodates at the same period.

L'influence de l'érosion sur la localisation de la déformation dans une chaîne de montagnes est un phénomène souvent envisagé à la suite de modélisations numériques. Or les données géologiques pertinentes en faveur de cette hypothèse sont encore fort peu nombreuses. Aussi, la mise en évidence d'une évolution temporelle et spatiale de la déformation constitue une observable clef pour tester les relations érosion/localisation de la déformation. Nous testons cet effet, sur un objet géologique soumis à des conditions de déplacements aux limites simples et sur un objet géologique soumis à des conditions climatiques et érosives variables latéralement : le flanc sud de l'Himalaya (située au dessus d'un décollement crustal majeur). Elle est soumise à une convergence continue et de valeur constante depuis au moins une dizaine de millions d'années et sa rhéologie est invariante au cours du temps ; elle est en revanche soumise à un gradient climatique d'est en ouest (transversalement par rapport à la direction de convergence), gradient de plus variable au cours du temps. Nous avons mis en oeuvre des techniques de thermochronologie basse température pour consituer une base de données conséquente, que nous avons utilisée dans des modélisations numériques thermo-cinématiques directes et inverses. Nous montrons que 1) au Népal central,le MHT présente une rampe crustale prononcée, et aucun mécanisme de chevauchement en hors-séquence n'est nécessaire pour expliquer les données, 2) la géométrie du MHT varie d'est en ouest, avec une rampe moins prononcée dans l'est de la chaîne, et 3) les variations latérales en terme de mise en place et de cinétique du MFT sont peu importantes.

Ce dossier d'habilitation à diriger des recherches dresse un bilan de mon activité de recherche effectuée depuis l'obtention de ma thèse de doctorat, d'abord au Research School of Earth Sciences de l'Australian National University (1995-1997) et depuis 1998 au Laboratoire de Géodynamique des Chaînes Alpines de l'Université Joseph Fourier. Il présente également le projet scientifique que j'envisage de poursuivre dans les années à venir. Je présente dans la première partie mon Curriculum Vitae avec un bilan succinct des thèmes de recherche que j'ai développés, mon activité d'encadrement de jeunes chercheurs et d'enseignement, ainsi qu'une liste de mes publications et conférences. La deuxième partie propose quelques éléments de réflexion sur les relations entre tectonique, érosion et l'évolution du relief à long terme. Après une introduction générale, je dresse le bilan de ma contribution sur ce terrain, en ce qui concerne le développement et l'utilisation de modèles numériques des processus de surface pour étudier l'évolution du relief, ainsi que dans l'acquisition de données thermochronologiques pour contraindre les taux de dénudation. La troisième et dernière partie de ce mémoire présente mon projet de recherche, axé sur le développement des modèles numériques des processus de surface et la mise en œuvre de nouvelles bases de données permettant d'appréhender l'évolution du relief. Afin de permettre une plus grande accessibilité pour tous les membres du jury d'habilitation, les deuxième et troisième parties de ce dossier seront rédigées en anglais.

Ce travail de thèse concerne une transversale complète des Pyrénées centro-occidentales, où on a combiné la thermochronologie basse température (traces de fission sur apatites, TFA) avec une analyse structurale détaillée pour décrire les mouvements verticaux associés à l'évolution du système chevauchant, et pour déterminer l'influence de ce dernier sur le cycle sédimentation/enfouissement/exhumation des dépôts synorogéniques du bassin d'avant‐chaine sud (bassins de Jaca et Ainsa). L'analyse TFA complète les données déjà publiées dans la Zone Axiale et la Zone Nord‐Pyrénéenne, e tconstitue la première étude de ce genre dans un bassin d'avant‐chaîne pyrénéen. Les données TFA sur la transversale du bassin sud‐pyrénéen montrent une diminution vers le sud du degré d'effacement des traces de fission, traduisant la diminution vers le sud de la quantité d'enfouissement, supérieure à 5 km au nord et inférieure à 3 km au sud dans l'hypothèse un géotherme de 25°.km‐1. Le contexte géologique montre que l'enfouissement est principalement lié à l'accumulation des dépôts synorogéniques. Les données TFA de lapartie nord du bassin montrent un refroidissement d'âge Oligocène supérieur‐Miocèneinferieur (moyen). Par ailleurs, une nouvelle interprétation de profils de sismiques réflexiondans le bassin de Jaca montre que le chevauchement d'Oturia s'enracine dans lechevauchement de socle de Bielsa, responsable de l'exhumation tectonique hors‐séquencedu bord sud de la Zone Axiale au Miocène inférieur (‐moyen) (Jolivet et al., 2007). Cesrésultats attestent donc de l'exhumation tectonique hors‐séquence au Miocène inférieur (Burdigalien‐ ?Langhien) de la partie nord du bassin d'avant‐chaine sud‐pyrénéen. Des données TFA obtenues dans la Zone Axiale et la Zone Nord‐Pyrénéenne confirment lamigration générale vers le sud du système chevauchant, et mettent également en évidencela réactivation tectonique hors‐séquence du bord nord de la Zone Axiale à l'Oligocèneterminal‐Miocène inférieur. L'ensemble de ces résultats atteste donc de la réactivation en " pop‐up " de la parties interne des Pyrénées centre‐ouest à l'Oligocène supérieur‐Miocèneinférieur (Burdigalien‐ ?Langhien), postérieurement au scellement du front sud‐pyrénéen (Aquitanien‐ ?Burdigalien) classiquement considéré comme marquant la fin de lacompression pyrénéenne. Ces données nous ont permis de proposer un nouveau modèle d'évolution crustale des Pyrénées centro‐occidentales en 3 grandes étapes : (i) du Crétacé supérieur à l'Eocène moyen, le prisme est caractérisé par une absence de relief, en lien avec l'inversion de structures extensives crétacées conduisant à l'accrétion de petites écailles crustales ; (ii) la période Eocène supérieur‐Oligocène correspond à la collision continentale proprement dite, et est marquée par la création d'importants reliefs associés à l'accrétion d'épaisses unités crustales ; (iii) au Miocène inférieur, la partie interne du prisme pyrénéen est réactivée.

Orogenic belts are fundamental features of plate tectonics. The crustal structure of orogens around the world shows a wide range of deformation styles from narrow, asymmetric wedges like the Pyrenees to wide, plateau-like orogens such as the Zagros or the Himalaya. The primary controlling factor on the size and structure of an orogen is the amount of convergence between the colliding plates. However, there are important additional factors providing major controls on the structural development of orogens. Among the potential parameters that can affect the style of deformation are the crustal strength, inherited weaknesses, and the surface processes. These parameters have been studied extensively in the past but their relative importance remains unclear. The aim of this thesis is to improve our understanding of: (1) How surface processes affect mountain building, with a special focus on the relationship between thin-skinned foreland and thick-skinned internal deformation of orogens. (2) How inherited extensional structures affect mountain building. The study was carried out using the Pyrenees as a special reference case. To answer our research questions we have used a wide range of state-of-the-art numerical modelling tools. In paper 1 we present a new method where we couple a structural-kinematic model and a thermo-kinematic model to evaluate the consistency of existing balanced section reconstructions with independent thermochronology data. In papers 2 and 3 we use 2D lithospheric scale thermo-mechanical models with surface process algorithms. Using the above toolset, we demonstrate that syntectonic sedimentation results in longer basement thrust sheets as well as longer thin-skinned thrust sheets and a generally wider orogen. Conversely erosion tends to narrow the wedge and reduce the orogenic loading of the colliding plates, limiting the space available for deposition in the flexural foreland deeps. We also demonstrate that inherited extensional structures play a crucial role in mountain building as they facilitate the migration of deformation into the undeformed basement of the overriding plate. Moreover, a significant amount of lower-crustal/mantle-lithospheric material is preserved at shallow depths only in the presence of extensional inheritance, but significant erosion is needed in order to bring this material to the surface. Our models also show that thin-skinned thrust sheets are generally rooted in the footwall of basement thrusts as they form outward-propagating sequences. As soon as a new basement thrust forms, the thin-skinned sequence situated on top of the new basement thrust-sheet is abandoned in favour of starting a new sequence in the footwall of the new thrust. Regarding our case study, it was possible to reproduce the section restoration using a structural-kinematic model with high accuracy up to the 36-Ma time slice and with limited accuracy up to the 50-Ma time slice. The thermochronometric ages predicted by the thermo-kinematic modelling are generally in good agreement with both the high- and low-temperature thermochronology data available in the Central Pyrenees; hence we conclude that the restoration is to a first order consistent with these datasets. The predicted thermochronological ages approximate the available low-temperature thermochronology data better by taking into account the late-stage burial and re-excavation scenario affecting the southern flank of the Pyrenean wedge presented by Coney et al. (1996), and quantified by Fillon and van der Beek (2012). In conclusion, our model experiments suggest, that extensional inheritance played a prime role in the structural evolution of the Pyrenees, with the major characteristics of the North Pyrenean Unit, including the presence of steep, inverted normal faults, the relative tectonic quiescence of the area after the early inversion and the presence of a lower-crustal body at shallow depth below the unit, best recaptured by our accordion models. / Orogenic belts are fundamental features of plate tectonics. The crustal structure of orogens around the world shows a wide range of deformation styles from narrow, asymmetric wedges like the Pyrenees to wide, plateau-like orogens such as the Zagros or the Himalaya. The primary controlling factor on the size and structure of an orogen is the amount of convergence between the colliding plates. However, there are important additional factors providing major controls on the structural development of orogens. Among the potential parameters that can affect the style of deformation are the crustal strength, inherited weaknesses, and the surface processes. These parameters have been studied extensively in the past but their relative importance remains unclear. The aim of this thesis is to improve our understanding of: (1) How surface processes affect mountain building, with a special focus on the relationship between thin-skinned foreland and thick-skinned internal deformation of orogens. (2) How inherited extensional structures affect mountain building. The study was carried out using the Pyrenees as a special reference case. To answer our research questions we have used a wide range of state-of-the-art numerical modelling tools. In paper 1 we present a new method where we couple a structural-kinematic model and a thermo-kinematic model to evaluate the consistency of existing balanced section reconstructions with independent thermochronology data. In papers 2 and 3 we use 2D lithospheric scale thermo-mechanical models with surface process algorithms. Using the above toolset, we demonstrate that syntectonic sedimentation results in longer basement thrust sheets as well as longer thin-skinned thrust sheets and a generally wider orogen. Conversely erosion tends to narrow the wedge and reduce the orogenic loading of the colliding plates, limiting the space available for deposition in the flexural foreland deeps. We also demonstrate that inherited extensional structures play a crucial role in mountain building as they facilitate the migration of deformation into the undeformed basement of the overriding plate. Moreover, a significant amount of lower-crustal/mantle-lithospheric material is preserved at shallow depths only in the presence of extensional inheritance, but significant erosion is needed in order to bring this material to the surface. Our models also show that thin-skinned thrust sheets are generally rooted in the footwall of basement thrusts as they form outward-propagating sequences. As soon as a new basement thrust forms, the thin-skinned sequence situated on top of the new basement thrust-sheet is abandoned in favour of starting a new sequence in the footwall of the new thrust. Regarding our case study, it was possible to reproduce the section restoration using a structural-kinematic model with high accuracy up to the 36-Ma time slice and with limited accuracy up to the 50-Ma time slice. The thermochronometric ages predicted by the thermo-kinematic modelling are generally in good agreement with both the high- and low-temperature thermochronology data available in the Central Pyrenees; hence we conclude that the restoration is to a first order consistent with these datasets. The predicted thermochronological ages approximate the available low-temperature thermochronology data better by taking into account the late-stage burial and re-excavation scenario affecting the southern flank of the Pyrenean wedge presented by Coney et al. (1996), and quantified by Fillon and van der Beek (2012). In conclusion, our model experiments suggest, that extensional inheritance played a prime role in the structural evolution of the Pyrenees, with the major characteristics of the North Pyrenean Unit, including the presence of steep, inverted normal faults, the relative tectonic quiescence of the area after the early inversion and the presence of a lower-crustal body at shallow depth below the unit, best recaptured by our accordion models.

Le Tibet est le plateau le plus élevé et le plus étendu au monde. La formation de ce plateau, en arrière de l’Himalaya, résulte d’interactions complexes entre facteurs tectoniques et climatiques, ainsi que de la morphologie antérieure au soulèvement. Afin d’évaluer l’influence relative de ces différents facteurs, cette thèse s’appuie sur l’étude de l’évolution du relief des bordures du plateau en couplant analyse géomorphologique, étude de la sédimentation syn-formation du plateau et reconstitution de l’exhumation à partir de la thermochronologie de basse température.Cette approche a permis de mettre en évidence que le plateau du Tibet était déjà haut, aussi bien sur ses bordures est que ouest dès 35 Ma, soit seulement 20 Ma après la collision Inde-Asie. Il apparait donc que le plateau se serait soulevé soit en un bloc, soit de façon précoce par ses marges Ouest et Est, plutôt qu’en se propageant du sud vers le nord et vers l’est comme proposé par de nombreux modèles.Dans l’Ouest Tibet, l’existence d’un réseau de drainage anciennement connecté avec celui de l’Indus, a permis le développement précoce d’un relief significatif (supérieur à 1000 m) avant 35 Ma lors de la surrection du plateau. Ce relief est ensuite préservé dans un contexte d’érosion très faible (quelques dizaine de mètres par million d’années) associé à une évacuation des produits d’érosion vers le bassin de l’Indus. Cette connexion avec l’Indus est ensuite coupée probablement suite aux mouvements de la faille du Karakorum.A l’Est, la formation du relief est probablement plus ancienne que dans l’Ouest Tibet, car vers 35 Ma cette région, bien que déjà surélevée, est caractérisée par l’existence d’un vaste réseau fluviatile en tresse, impliquant une faible pente, ainsi qu’un relief local soumis à des précipitations plus au nord. La création du relief actuel, marqué par des rivières fortement encaissées, est probablement liée à l’évolution de la mousson sud-est asiatique ainsi qu’au fonctionnement de la faille du Fleuve rouge. / Tibet is the widest and highest plateau on Earth. Tectonics, climate evolution and ante-surrection geomorphology are the main factors controlling the plateau formation. In order to assess the relative influence of these factors, we study the relief evolution on the plateau edges using geomorphic analysis, sedimentology and exhumation rates based on low-temperature thermochronometry.The results show that the western and eastern plateau edges were already at high elevation at ca 35 Ma, only 20 Ma after the India-Asia collision. This favors an “en bloc” uplift model for the plateau.In western Tibet, the hydrographic network was connected to the Indus river, allowing the early development of a >1000 m amplitude relief, probably before 35 Ma. The relief was preserved due to low erosion conditions. Western Tibet was then isolated from the Indus drainage network due to the Karakorum fault slip.The relief formation in Eastern Tibet is older than in western Tibet: at ca 35 Ma, in the Jianchuan area (northern Yunnan), which was already at high elevation, was a large braided river system. This implies a moderate regional slope. It also implies a local relief further north and significant precipitations.

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.