Le Tian Shan est une chaîne intracontinentale d’Asie Centrale, dont la structure lithosphérique résulte de l’accrétion de divers blocs au cours du Paléozoïque. Son histoire tectonique récente est marquée par sa réactivation au Tertiaire, liée à la collision entre l’Inde et l’Asie. L’histoire topographique et tectonique de la chaine entre les deux orogenèses majeures (paléozoïque terminal et cénozoïque) reste peu contrainte. Cette thèse associe deux approches, la sédimentologie et la thermochronologie basse température, dans le but de déterminer de façon qualitative l’évolution de la topographie au cours du Mésozoïque.Le démantèlement des reliefs associés à la chaine tardi-paléozoïque s’achève au Trias supérieur. Il est suivi d’une activité tectonique très faible au Jurassique, majoritairement transtensive et caractérisée par des taux d’exhumation très faibles dans le Tian Shan. Une surface majeure de pénéplanation se développe alors en Asie Centrale. A la limite Jurassique – Crétacé, la mise en place de cônes alluviaux indique une réactivation de la chaîne, qui n’est néanmoins pas suffisante pour être enregistrée par la thermochronologie. Cette période est caractérisée par un régime généralement extensif en Asie Centrale (jusqu’au Bassin Caspien qui s’ouvre à l’est), et précède la phase d’exhumation lente, qui suit au Crétacé inférieur. La chaîne est progressivement réactivée à partir de 100 Ma et pendant le Crétacé supérieur, ce qui pourrait correspondre à un effet retardé de la collision du Bloc de Lhassa (140 - 120 Ma). Vers 65 - 60 Ma, une phase d’exhumation rapide atteste d’une réactivation plus intense et localisée le long des principales failles. Elle est sans doute liée aux collisions de blocs le long de la marge sud-ouest de l’Asie (e.g. Bloc du Kohistan, arc du Dras, Bloc Afghan). Dans la région du Tian Shan, l’activité tectonique semble totalement s’arrêter au Paléocène permettant le développement d’un niveau majeur de calcrêtes, avant la nouvelle réactivation au Néogène. Par conséquent, l’association des données de thermochronologie sur le socle avec la reconstruction des milieux de dépôt dans les différents bassins, montre que la paléo-chaîne du Tian Shan s’aplanit durant le Mésozoïque. Des évènements tectoniques de faible envergure ont lieu en Asie Centrale, induits par les principaux mouvements géodynamiques le long des bordures entourant l’Asie. Pourtant leur enregistrement est incomplet et seule la combinaison des deux approches étudiées permet de reconstituer l’évolution topographique et paléogéographique du Tian Shan. / The Tian Shan is an intracontinental range located in Central Asia. The structure of the range formed during the Paleozoic through the accretion of several blocks. Recently the range has been reactivated due to far-field effects of the collision between India and Asia. The topographic and tectonic evolution of the range in-between these two major relief-building phases (Late Paleozoic and Cenozoic) is still poorly understood. Two different approaches are combined in this work, in order to determine the Mesozoic topographic evolution of the area, in a qualitative way.The Late-Paleozoic range has been progressively eroded until the Upper Triassic/Lower Jurassic. Tectonic activity was relatively quiet during the Jurassic characterised by low exhumation rates. We suggest that the tectonic regime was dominated by transtension in the Tian Shan area. This period is linked to a regional peneplanation in Central Asia. At the Jurassic-Cretaceous boundary, the occurrence of alluvial fan deposits shows a reactivation of the range, though not strong enough to be recorded by low-temperature thermochronology. This period is characterised by an overall extensional tectonic regime all over Central Asia, with the opening of the Caspian Basin further west. It precedes the phase of very slow exhumation that occurs during the Lower Cretaceous. From 100 Ma and during the Upper Cretaceous, the range is progressively reactivated. We suggest that this correspond to a delayed answer of the Lhassa bloc collision (140 - 120 Ma). Around 65 - 60 Ma, a new phase of rapid exhumation attests of a stronger reactivation, localised along the major faults. This is contemporary of bloc collisions along the south-west margin of Asia, such as the Kohistan Block, the Dras arc or the Afghan Block. In the Tian Shan area, the development of calcrete features in the Paleocene suggests the end of tectonic activity, before the new reactivation in the Neogene.The combination of low temperature thermochronology on the basement rocks and facies sedimentology in the various basins indicate that while during the Mesozoic, the Palaeo-Tian Shan topography generally flattens, some small-scale tectonic events driven by far-field effects of major geodynamic processes around the edges of Asia did occur. However, those tectonic movements did not induce enough exhumation to be recorded by low temperature thermochronometers. Only the sediment record allows their detection and detailed description.

The mountain-systems of Central Asia, act as barriers to atmospheric circulation patterns, which in turn impose striking climate gradients across the region. Glaciers are sensitive indicators of climate change and respond to changes in climate gradients over time by advancing during cold and wet periods and receding during warm and dry periods. The aim of this thesis is to investigate whether there are large-scale patterns in how past glaciers in the Tian Shan and the Altai Mountains of Central Asia responded to climate change. Multiple methods have been used, including: remote sensing, terrain analysis, field investigations, and cosmogenic nuclide (CN) dating. The glacial landform records indicate that the region experienced mainly alpine-style glaciations in the past. Large complexes of ice-marginal moraines in high elevation basins are evidence of outlet glaciers sourced from large valley glaciers, ice caps and ice-fields, and these moraine sequences, record the maximum extent of paleoglaciation. In the Ikh-Turgen Mountains, located in the continental, eastern Altai Mountains, deglaciation of these moraines occurred during marine oxygen isotope stage (MIS) 3 at ~45 ka. This is consistent with a colder and wetter climate during this time, inferred from ice core and lake level proxies. Another deglacial phase occurred during MIS 2 at ~23 ka, synchronous with the global Last Glacial Maximum. In the Russian Altai Mountains, lobate moraines in the Chuya Basin indicate deglaciation at ~19 ka, by a highly dynamic paleoglacier in the Chagan-Uzun catchment, which experienced surge-like behaviour. Furthermore, across the Tian Shan, an evaluation of new and existing CN glacial chronologies (25 dated moraines) indicates that only one regional glacial stage, between 15 and 28 ka (MIS 2), can be defined and spatially correlated across the region. These paleoglaciers were mainly restricted to valleys as a result of arid conditions during this time and variation in their extents is interpreted to reflect topographic modulation on regional climate. The ages of the oldest evidence for robust local glacial stages in the Tian Shan are not yet well constrained, however, moraines in the central Kyrgyz Tian Shan and the eastern Chinese Tian Shan have apparent minimum ages overlapping with MIS 5 and MIS 3 (with missing MIS 4 and 6 stages). However, different geological processes, such as inheritance and post-depositional shielding (e.g. deposition by surging glaciers or hummocky terrain deposition), have influenced the dating resolution, making several moraine ages inappropriate for regional comparison. Finally, to quantify regional patterns of paleoglaciation, the hypsometry (area-elevation distribution) of glacial landforms is used to estimate average paleo equilibrium line altitudes for the region. This analysis shows that while present-day ELAs mirror strong climate gradients, paleoglaciation patterns were characterised by more gentle ELA gradients. The paleo-ELA depressions across Central Asia were most prominent in the continental southern and eastern regions (500–700 m). Finally, the results from this thesis, show that Central Asia was repeatedly glaciated in the past, but underscore the importance of considering 1) catchment characteristics and styles of glaciation and 2) other non-climatic factors controlling glacier dynamics when interpreting CN chronologies to make paleoclimate inference. / <p>At the time of the doctoral defense, the following papers were unpublished and had a status as follows: Paper 2: Manuscript. Paper 4: Accepted. Paper 5: Manuscript.</p> / Central Asia Paleoglaciology Project (CAPP)

Glacial runoff from the Tian Shan and Altai Mountains is an important water resource, especially for people living in the arid areas of Central Asia. Measured water volumes from glaciers have decreased, and glacier area have shrunk with 50-90% since the Little Ice Age. Lack of knowledge regarding glaciers in high mountain areas, and the impact from climate change makes this an important field to investigate. This thesis focuses on topographic features and their impact on spatial glaciation patterns; today and during the global last glacial maximum, 19-30 thousand years ago (ka). From selected marginal moraines in the Tian Shan and Altai mountains, with a deglaciation age between 19-30 ka, an analysis was created in ArcMap (GIS, Geographic Information System) with 1 arc second resolution ASTER GDEM2 (Digital Elevation Model) and in Google Earth. An elevation profile, hypsometry and mapping were created for the analysis. The interpretations made from the limited dataset resulted in topographic features affecting the glaciation extension today and percentage of decreasing glacier area since 19-30 ka, to be connected to north/south-facing direction of the drainage area and the elevation. Drainage areas experiencing the highest percentage of glacial shrinkage were southfacing and/or at elevation below 3961 m a.s.l. / Central Asia Paleoglaciology Project

The amalgamation of the Central Asian Orogenic Belt in the southwestern Tian Shan in Tajikistan is represented by tectono-magmatic-metamorphic processes that accompanied late Paleozoic ocean closure and collision between the Karakum-Tarim and Kazakh-Kyrgyz terranes. Integrated U-Pb geochronology, thermobarometry, pseudosection modeling, and Hf geochemistry constrain the timing and petro-tectonic nature of these processes. The Gissar batholith and the Garm massif represent an eastward, along-strike increase in paleodepth from upper-batholith (similar to 21-7km) to arc-root (similar to 36-19km) levels of the Andean-syn-collisional Gissar arc, which developed from similar to 323-288Ma in two stages: (i) Andean, I-type granitoid magmatism from similar to 323-306Ma due to northward subduction of the Gissar back-arc ocean basin under the Gissar microcontinent, which was immediately followed by (ii) syn-collisional, I-S-type granitoid magmatism in the Gissar batholith and the Garm massif from similar to 304-288Ma due to northward subduction/underthrusting of Karakum marginal-continental crust under the Gissar microcontinent. A rapid isotopic pull-up from similar to 288-286Ma signals the onset of juvenile, alkaline-syenitic, post-collisional magmatism by similar to 280Ma, which was driven by delamination of the Gissar arclogite root and consequent convective asthenospheric upwelling. Whereas M-HT/LP prograde metamorphism in the Garm massif (650-750 degrees C/6-7kbar) from similar to 310-288Ma was associated with subduction-magma inundation and crustal thickening, HT/LP heating and decompression to peak-metamorphic temperatures (similar to 800-820 degrees C/6-4kbar) at similar to 2886Ma was driven by the transmission of a post-collisional, mantle-derived heat wave through the Garm-massif crust.

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 chaîne actuelle du Tian Shan (Asie centrale) est considérée comme une conséquence directe de la réactivation d'une ceinture orogénique du Paléozoïque due à la collision Inde-Asie, au Cénozoïque. Un travail détaillé a été réalisé le long du piémont nord de la chaîne en intégrant les observations géologiques de terrain, analyses structurales, profils sismiques, nouvelles mesures des anomalies gravimétriques et des données de forages. Tout d'abord cette étude apporte de nouvelles preuves directes, à différentes échelles, sur l'existence d'un paléo-relief majeur le long du front nord du Tian Shan au cours du Mésozoïque, et plus particulièrement pendant le Jurassique. Deuxièmement, la quantité de raccourcissement calculée à travers cette ceinture de plis et chevauchements nord du Tian Shan est relativement faible et les structures reconnues le long du front de la chaîne présentent une hétérogénéité latérale forte. Ainsi, alors qu'un chevauchement du socle paléozoïque sur les séries sédimentaires mésozoïques et cénozoïques du bassin est remarquablement exposé le long de certaines vallées, d'autres sections montrent que les séries sédimentaires du Trias au Jurassique peuvent être suivies de manière continue, depuis le bassin jusque sur le toit du socle Paléozoïque où ils reposent en discordance relativement haut dans la chaîne. Quatre coupes géologiques ont été construites par l'intégration des données pluridisciplinaires acquises. La restauration de ces coupes montre que les taux de raccourcissement sont inférieurs à 20% et peuvent descendre à un minimum de 6%. Ces observations suggèrent que le piémont nord du Tian Shan est plutôt «jeune» et que la chaîne d'avant pays est encore à un stade primaire de son évolution tectonique. En d'autres termes, le piémont nord du Tian Shan peut être considéré comme un exemple type de front de chaîne immature.

L'évolution d'un piémont de chaîne de montagnes est contrôlée par les interactions entre la tectonique, l'érosion et la sédimentation. Pour étudier ces processus, nous avons analysé des données morphométriques issues des piémonts orientaux du Tian Shan (NW Chine) et développé un nouveau type de modélisation analogique. Cette approche utilise un dispositif et un matériau expérimental spécialement conçus pour modéliser simultanément des structures tectoniques (failles, plis), une morphologie détaillée (bassins versants, rivières, cônes alluviaux, etc.) et une sédimentation stratifiée. Des techniques de mesure optique ont été également mises en oeuvre afin de quantifier l'évolution topographique et cinématique des modèles.<br />Les expériences réalisées offrent une opportunité inédite d'étudier l'évolution morphotectonique d'un piémont. Nos résultats montrent que la tectonique exerce un contrôle de premier ordre sur cette évolution. La propagation de la déformation et la formation des reliefs influencent en effet significativement le développement du réseau de drainage, l'évolution des bassins versants et la formation des marqueurs morphotectoniques. En particulier, l'analyse de la morphométrie des cônes alluviaux et de leurs bassins versants suggère qu'un équilibre dynamique s'installe entre la surrection, l'érosion et la morphologie. Nos résultats montrent également que l'apparition des terrasses est guidée par l'activité des chevauchements et les adaptations de l'hydrographie. Leur modèle de plissement répond à une déformation homothétique.<br />Cette nouvelle approche ouvre des perspectives d'étude prometteuses en géomorphologie, sismotectonique et stratigraphie.

Un piémont constitue la zone de transition entre une chaîne de montagnes et son bassin d'avant-pays. Tectonique et climat se partagent le contrôle de son évolution géomorphologique à toutes les échelles de temps. L'étude de l'exemple du piémont Nord du Tian Shan oriental (Nord-Ouest de la Chine) permet une description précise de ces influences, ainsi qu'une quantification des phénomènes majeurs observés. Le signal tectonique intervient sur le long terme, par le soulèvement actif de la chaîne qui induit un flux de matière vers le piémont, ainsi que par la migration de la déformation vers le bassin dzungar sous forme de plis d'avant-pays. Au contraire, le signal climatique se manifeste à court et moyen terme, suivant les grands cycles climatiques globaux plus ou moins nuancés à l'échelle régionale. En période glaciaire, le matériel érodé dans les bassins versants montagneux est difficilement exporté de la chaîne. Le transport est facilité à la transition vers l'interglaciaire, par l'augmentation brutale des flux d'eau qui provoque la mise en place dans le piémont de grands cônes alluviaux, abandonnés vers 12 \pm 2 ka BP. A partir de ce moment, les rivières s'encaissent profondément dans les cônes, à des taux d'incision moyens de 1 à 2.5~cm/an sur l'Holocène. Les terrasses d'abrasion abandonnées au cours de cette phase sont d'abord de largeurs plurikilométriques, puis les vallées se font de plus en plus étroites sans que les rivières ne cessent d'inciser. Nous modélisons l'évolution du profil d'une de ces rivières au cours de l'Holocène à partir de la théorie du transport de Bagnold, en cherchant à retrouver la décroissance des paléo-pentes du lit de la rivière observée à l'aide de la topographie actuelle des terrasses. Cette reconstruction nous mène à considérer que la largeur du lit varie peu, alors que sa sinuosité diminue pendant la progression de l'encaissement. Elle suggère en outre que le débit de la rivière a chuté d'un facteur 3 entre la mi-Holocène et l'actuel. Cette étude est complétée par l'exploitation de données de paléo-niveaux holocènes du lac exutoire du piémont. Des lignes de rivage repérées à plus de 50~m montrent en effet que le lac s'est étendu sur une surface triple de sa surface actuelle au début de l'Holocène. Le calcul de bilans hydrologiques pour les conditions actuelles et mi-holocènes atteste que les apports des rivières vers 6000~ans~BP étaient supérieurs d'un facteur 2.6 aux apports actuels. La synthèse de ces deux approches révéle que la région a connu pendant la première moitié de l'Holocène un climat beaucoup plus humide que l'actuel, dans une mesure jusqu'alors ignorée des reconstitutions paléoclimatiques.