Pour comprendre l'évolution tectono-métamorphique des unités de type Thiviers-Payzac dans la chaîne hercynienne, trois secteurs d'études ont été choisis: le Rouergue-Albigeois, le Quercy et la Vendée. Ces études pétrostructurales et géochronologiques ont permis de présenter l'évolution tectonique suivante:<br /> Au Dévonien moyen, un premier épisode provoque le charriage vers le SW de l'Unité Supérieure des Gneiss sur l'Unité Inférieure des Gneiss. Dans le Rouergue, les granites syntectoniques ont aussi enregistrés cette déformation. Vers 360 Ma, un deuxième épisode tangentiel provoque le charriage des unités de type Thiviers-Payzac vers le NW en contexte métamorphique barrovien. Lors d'une troisième phase vers 330 Ma, les unités précédemment structurées sont charriées vers le Sud sur l'ensemble Albigeois-Montagne Noire. La signification du deuxième épisode est également discutée en termes de géodynamique.

L'évolution tardive du Domaine Sud Armoricain (segment de la chaîne Varisque Ouest Européenne), se traduit par un effondrement gravitaire de la croûte préalablement épaissie dans un contexte tectonique extensif. Cette extension s'accompagne, dans tout le domaine, d'une fusion partielle de la croûte moyenne à inférieure et de l'exhumation des roches métamorphiques issues de niveaux crustaux profonds. L'approche pluridisciplinaire conduite dans cette étude permet de proposer un calendrier précis de la fusion crustale et d'étudier les mécanismes de la déformation responsable de l'exhumation de la croûte moyenne à inférieure. Une des démarches adoptées associe l'identification structurale et cinématique précise des témoins de l'étirement et leur datation multiméthodes (U-Th/Pb sur monazite, et A/Ar sur micas). Dans la partie occidentale du Domaine Sud Armoricain, cette approche permet ainsi de documenter un continuum de déformation extensive durant plus de 20 Ma, qui accompagne en partie l'exhumation des roches de haut grade qui elle, se développe entre 325 Ma et 300 Ma. L'étude géophysique, combinant ASM et gravimétrie, permet en outre de caractériser la structure interne et la géométrie en profondeur du complexe granitique de Carnac, dont la mise en place apparaît être le témoin du stade le plus précoce de ce continuum. La fusion partielle des migmatites et la mise en place des plutons granitiques, interprétées à la fois comme le moteur et la conséquence de l'étirement et de l'exhumation, est estimée entre 335 Ma et 320 Ma. Cette anatexie généralisée apparaît synchrone à l'échelle de tout le domaine, ce qui permet un regard nouveau sur les stades tardi-orogéniques du Domaine Sud Armoricain. L'étude de la déformation extensive et de l'exhumation dans les portions occidentale et orientale, met en évidence des contrastes de style tectonique, suggérant une exhumation plus importante des parties orientales du Domaine Sud Armoricain.

La datation des carbonates est un enjeu important en géosciences car ces minéraux sont présents dans tous les grands cycles superficiels terrestres. Actuellement, l'âge de formation des cristaux de calcite de failles peut être déterminé par la méthode de déséquilibre U-Th ou par la méthode U-Pb. La potentialité de la méthode (U-Th-Sm)/He a été envisagée à partir des premiers résultats de diffusion de l'hélium dans les carbonates (Copeland et al. 2007) qui montrent que l'hélium est rétentif à basse température, inférieure à 70°C. Le développement de cette méthode nécessite une identification des propriétés cristallochimiques et du comportement de la calcite afin de discuter la validité des âges obtenus. Une zone de déformation au contact d'une faille normale du fossé d'effondrement de Gondrecourt à Augeville (Est du bassin de Paris) et des cristaux de calcite géodique des argilites de Tournemire (Aveyron) ont été étudiés. Une étude pétrographique et géochimique (analyse des isotopes stables δ18O et δ13C et des éléments mineurs et traces) a permis d'identifier les phases de remplissage de la zone de déformation d'Augeville. Sur les phases de remplissages une étude cristallographique par DRX (diffraction des rayons X) et ATG (analyse thermogravimétrique) a permis d'identifier les propriétés mécaniques de la calcite à différentes températures. Des expériences de diffusion de l'hélium ont été conduites selon un protocole différent de celui de Copeland et al. (2007) : temps de chauffage inférieur à 12 heures au lieu de paliers de chauffage de plusieurs heures à semaines. Des datations (U-Th-Sm)/He ont été réalisées sur toutes les phases de remplissage de la zone de déformation ainsi que sur les cristaux géodiques de Tournemire. Les résultats pour Gondrecourt mettent en évidence une zone de déformation à remplissage calcitique pluriphasée qui marque chaque étape de l'évolution tectonique de la zone. Il s'agit majoritairement de remplissages de brèches hydrauliques à brèches chaotiques avec, pour finir, la mise en place de filons. Sur ces minéralisations les résultats cristallochimiques montrent que lorsqu'ils sont soumis à une température croissante, de température ambiante à 400°C, ou sur le long terme à 200°C, il y a un accroissement du nombre de microfissures qui aboutit à la formation de clivage. L'évolution cristallochimique sous l'effet de la température présente des modifications structurales pour chacune des phases étudiées. Les expériences de diffusion dépendent de ces microfissures et de cette évolution microstructurale. Ces résultats mettent en évidence les mécanismes de diffusion de l'hélium dans la calcite à travers de multiples domaines de diffusion différents de la taille du grain. Ces domaines de diffusion dépendent de l'état microstructural de l'échantillon. Les résultats de datation (U-Th-Sm)/He présentent une large dispersion de 0,1 Ma à 35 Ma pour la zone de déformation de Gondrecourt et de 0,4 Ma à 20 Ma pour les cristaux géodiques de Tournemire. La variation des âges est en partie liée à la position des cristaux de calcite dans la succession paragénétique qui entraine un continuum de fracturation qui génère de multiples domaines de diffusion dans les cristaux de calcite.

L'Albanie occupe une position critique au sein de la ceinture plissée alpine Dinaro-Hellénique. Cet orogène est caractérisé par trois composants fondamentaux: une ceinture de plis et chevauchements externe à l'Ouest, un domaine central caractérisé par la présence de nappes ophiolitiques, et un complexe interne oriental. <br />Certains points clés pour la connaissance de l'évolution géodynamique de cette chaîne ont été éclairé par l'application de la thermochronologie de basse température (trace de fission et (U-Th)/He sur apatite et zircon), plus précisément en ce qui concerne l'histoire du refroidissement des Albanides Internes. <br />Un taux d'exhumation (<0,1 km/Ma) durant l'Eocène et le début de l'Oligocène caractérise la limite entre les zones externes et zones Internes. Il est probablement lié au soulèvement isostatique, conséquence de l'épaississement de la croûte près du front de chevauchement durant l'emplacement tectonique du complexe interne sur la ceinture de plis et chevauchements externe.<br />Dans le domaine interne le refroidissement et la surrection sont beaucoup plus récents et rapides. Les thermochronomètres (U-Th)/He et traces de fission nous ont permis de déterminer un début de la phase d'extension ~ 20 Ma. Vers 3-6 Ma, le taux d'exhumation des roches de la zone de Korabi s'est accéléré jusqu'à 1,2 km/Ma. Nous proposons que la structure actuelle symétrique des unités ophiolitique dans les Albanides Internes soit le résultat d'un régime de collapse en extension, affectant la partie oriental des ophiolites et la zone de Korabi.<br />Ces études montrent que la complémentarité des méthodes de thermochronologie trace de fission et (U-Th)/He est un moyen puissant de mieux contraindre l'histoire de l'exhumation d'un orogène.

La connaissance des vitesses de diffusion du plomb dans la monazite est indispensable pour comprendre les anomalies des âges U-Th-Pb de ce minéral, qui est un des plus utilisés en géochronologie après le zircon. <br />Des expériences de diffusion ont été faites dans des monocristaux de NdPO4 et des polycristaux de Nd0.66Ca0.17Th0.17PO4 à partir de couches minces de Nd0.66Pb0.17Th0.17PO4, pour étudier les échanges Pb2+ + Th4+ 2 Nd3+ et Pb2+ Ca2+. Les recuits de diffusion ont été effectués entre 1200 et 1500°C, à pression ambiante, pour des durées comprises entre une heure et un mois. Les profils de diffusion ont été analysés en MET et en RBS. <br />Les diffusivités extraites pour l'échange Pb2+ + Th4+ 2 Nd3+ suivent une loi d'Arrhenius de paramètres E = 509 ± 24 kJ mol-1 et log D0 (m2 s-1) = -3.41 ± 0.77. Les données préliminaires pour l'échange Pb2+ Ca2+ concordent avec ce résultat. <br />L'extrapolation de nos données aux températures crustales donne de très faibles diffusivités. Par exemple, le temps nécessaire pour qu'un grain de monazite de 50 µm perde tout son plomb à 800°C est supérieur à l'âge de la Terre. <br />De ces résultats et d'autres évidences de la littérature, nous concluons que la plupart des perturbations des âges U-Th-Pb des monazites ne peut pas être attribuée à la diffusion du plomb à l'état solide, mais plus vraisemblablement à des interactions avec des fluides

The formation and evolution of metamorphic core complexes has been widely studied using low temperature thermochronometry methods. Interpretation of these data has historically occurred through the lens of the traditional slip rate method which provides a singular rate that unroofing occurs at temporally as well as spatially, and assumes unroofing is dominated by motion on a single master detachment fault. Recently, several new studies have utilized (U-Th)/He ages with a higher spatial density and greater nominal precision to suggest a late-stage rapid increase in the rate of unroofing. This analysis is based on the traditional slip rate method interpretation of broad regions of core complexes that display little to no change in age along the slip direction. An alternative interpretation is presented that instead of a change in slip rate, there may have been a change in the style of unroofing, specifically caused by the transfer of displacement from low-angle detachment faulting to high-angle normal faults. Apatite fission-track (AFT), and apatite and zircon (U-Th)/He (AHe and ZHe) analyses were applied to samples from the Santa Catalina-Rincon (n=8 AHe, and n=9 ZHe) and Harcuvar (n=12 AFT, n=16 AHe, and n=17 ZHe) metamorphic core complexes in an attempt to resolve the possible thermal effects of high-angle normal faulting on core complex formation. Samples from the Harcuvars were taken along a transect parallel to slip direction with some samples specifically targeting high-angle normal fault locations. The AFT data collected here has the advantage of improved analysis and modeling techniques. Also, more than an order of magnitude more data were collected and analyzed than any previous studies within the Harcuvars. The AFT ages include a trend from ~22 Ma in the southwest to ~14 Ma in the northeast and provide a traditional slip rate of 7.1 mm/yr, similar to previous work. However, two major high-angle, detachment-parallel normal faults were identified, and hanging-wall samples are ~3 m.y. older than the footwalls, indicating high-angle normal faults rearranged the surface expression of the distribution of thermochronometer ages to some extent. AHe ages range from 8.1 Ma to 18.4 Ma but in general decrease with increasing distance in the slip direction. ZHe ages generally range between 13.6 Ma and 17.4 Ma. A series of unexpectedly young AFT ages (10-11 Ma), given by three complete samples and distinct population modes in others, suggest that some parts of the range underwent a later-stage unroofing event possibly caused by high-angle faulting. Confined fission-track length distributions were measured for Harcuvar samples and modeled using the modeling software HeFTy to infer thermal histories and calculate local cooling rates. These imply a component of steady cooling in some parts of the range, evidence of a different departure from a single-detachment dominated model. / text

Three studies on Cordilleran foreland basin deposits in the western U.S.A. constitute this dissertation. These studies differ in scale, time and discipline. The first two studies include basin analysis, flexural modeling and detailed stratigraphic analysis of Upper Cretaceous depocenters and strata in the western U.S.A. The third study consists of detrital zircon U-Pb analysis (DZ U-Pb) and thermochronology, both zircon (U-Th)/He and apatite fission track (AFT), of Upper Jurassic to Upper Cretaceous foreland-basin conglomerates and sandstones. Five electronic supplementary files are a part of this dissertation and are available online; these include 3 raw data files (Appendix_A_raw_isopach_data.txt, Appendix_C_DZ_Data.xls, Appendix_C_UPb_apatite.xls), 1 oversized stratigraphic cross section (Appendix_B_figure_5.pdf), and 1 figure containing apatite U-Pb concordia plots (Appendix_C_Concordia.pdf). Appendix A. Subsidence in the retroarc foreland of the North American Cordillera in the western U.S.A. has been the focus of a great deal of research, and its transition from a flexural foreland basin, during the Late Jurassic and Early Cretaceous, to a dynamically subsided basin during the Late Cretaceous has been well documented. However, the exact timing of the flexural to dynamic transition is not well constrained, and the mechanism has been consistently debated. In order to address the timing, I produced new isopach maps from ~130 well log data points that cover much of Utah, Colorado, Wyoming and northern New Mexico, producing in the process, the most detailed isopach maps of the area. These isopach maps span the Turonian to mid-Campanian during the Late Cretaceous (~93–76 Ma). In conjunction with the isopach maps I flexurally modeled the Cordilleran foreland basin to identify when flexure can no longer account for the basin geometry and identified the flexural to dynamic transition to have occurred at 81 Ma. In addition, the dynamic subsidence at 81 Ma is compared to the position of the hypothesized Shatsky Oceanic Plateau and other proposed drivers of dynamic subsidence. I concluded that dynamic subsidence is likely caused by convection over the plunging nose of the Shatsky Oceanic Plateau. Appendix B. The second study is a detailed stratigraphic study of the Upper Cretaceous, (Campanian, ~76 Ma) Sego Sandstone Member of the Mesaverde Group in northwestern Colorado, an area where little research has been done on this formation. Its equivalent in the Book Cliffs area in eastern Utah has been rigorously documented and its distal progradation has been contrastingly interpreted as a result of active tectonism and shortening in the Cordilleran orogenic belt ~250 km to the west and to tectonic quiescence, flexural rebound in the thrust belt and reworking of proximal coarse grained deposits. I documented ~17 km of along depositional dip outcrops of the Sego Sandstone Member north of Rangely, Colorado. This documentation includes measured sections, paleocurrent analysis, a stratigraphic cross section, block diagrams outlining the evolution of environments of deposition through time, and paleogeographic maps correlating northwest Colorado with the Book Cliffs, Utah. The sequence stratigraphy of the Sego Sandstone Member in northwest Colorado is similar to that documented in the Book Cliffs area to the south-southwest, sharing three sequence boundaries. However, flood-tidal delta assemblages between fluvio-deltaic deposits that are present north of Rangely, Colorado are absent from the Book Cliffs area. These flood-tidal-delta assemblages are likely caused by a large scale avulsion event in the Rangely area that did not occur or was not preserved in the Book Cliffs area. In regards to tectonic models that explain distal progradation of the 76 Ma Sego Sandstone Member to be caused by tectonic quiescence and flexural rebound in the thrust belt, the first study shows that at 76 Ma, flexural processes were no longer dominant in the Cordilleran foreland, so it is inappropriate to apply models driven by flexure to the Sego Sandstone Member. Dynamic processes dominated the western U.S.A. during the Campanian, and flexural processes were subordinate. Appendix C. In order to test the tectonic vs. anti-tectonic basin-filling models for distal coarse foreland deposits mentioned above, the third study involves estimating lag times of Upper Jurassic to Upper Cretaceous conglomerates and sandstones in the Cordilleran foreland basin. Measuring lag time requires a good understanding of both the stratigraphic age of a deposit and the thermal history of sedimentary basin. To further constrain depositional age, I present twenty-two new detrital zircon U-Pb (DZ U-Pb) sample analyses, spanning Upper Jurassic to Upper Cretaceous stratigraphy in Utah, Colorado, Wyoming and South Dakota. Source exhumation ages can be measured using thermochronology. To identify a thermochronometer that measures source exhumation in the North America Cordillera, both zircon (U-Th)/He, on eleven samples, and apatite fission track (AFT) thermochronology, on eleven samples was performed. Typically, the youngest cooling age population in detrital thermochronologic analyses is considered to be a source exhumation signal; however, whether or not these apatites are exhumed apatites or derived from young magmatic and volcanic sources has been debated. To test this, I double dated the detrital AFT samples, targeting apatites with a young cooling age, using U-Pb thermochronology. Key findings are that the maximum depositional ages using DZ U-Pb match existing biostratigraphic and geochronologic age controls on basin stratigraphy. AFT is an effective thermochronometer for Lower to Upper Cretaceous foreland stratigraphy and indicates that source material was exhumed from >4–5 km depth in the Cordilleran orogenic belt between 118 and 66 Ma, and zircon (U-Th)/He suggests that it was exhumed from <8–9 km depth. Double dating apatites (with AFT and U-Pb) indicate that volcanic contamination is a significant issue; without having UPb dating of the same apatite grains, one cannot exclude the possibility that the youngest detrital AFT population is contaminated with significant amounts of volcanogenic apatite and does not represent source exhumation. AFT lag-times are 0 to 5 Myr with relatively steady-state to slightly increasing exhumation rates. We compare our data to orogenic wedge dynamics and subsidence histories; all data shows active shortening and rapid exhumation throughout the Cretaceous. Our lag-time measurements indicate exhumation rates of ~.9–>>1 km/Myr.

The redox-sensitive geochemical behavior of uranium permits the use of Th/U ratios as a geochemical proxy for the oxidation state of the atmosphere and oceans during sedimentary processes. Due to the effects of post-depositional uranium mobility on Th/U ratios during events involving oxygenated fluids, direct measurements of Th/U ratios are often misleading, but the whole rock Pb isotope composition may be used to determine a sample¡¦s apparent time-integrated Th/U ratio (ƒÛa) and the timing associated with the onset of the U-Th-Pb geochemistry. Rare earth element (REE) concentrations were determined by isotope dilution mass spectrometry to evaluate the influence of multiple provenance components and potential mobility of Th, U, and Pb during post-depositional processes on the Th/U ratio. The Pb isotope compositions and REE concentrations were determined for six Paleoproterozoic sedimentary sequences, which were the focus of previous studies involving the timing of the rise of atmospheric oxygen. The Mount McRae Shale, Huronian Supergroup, and Zaonezhskaya Formation have been interpreted as experiencing post-depositional alteration (perhaps associated with orogenic events) due to Pb-Pb ages that are younger than the likely depositional age and observed fractionation of REE in chondrite normalized REE patterns and interelement REE ratios (e.g. La/Nd, La/Yb, Eu/Eu*). Similar geochemical proxies have been interpreted as sedimentary geochemical features of the Timeball Hill Formation, Hotazel Formation, and Sengoma Argillite Formation. This study of Paleoproterozoic sedimentary units constrains the onset of U-Th decoupling, most likely due to the onset of oxidative weathering conditions, began by 2.32 Ga, the latest.

The timing of motion on thrust faults in the Idaho-Wyoming-Utah (IWU) thrust belt comes from synorogenic sediments, apatite thermochronology and direct dating of fault rocks coupled with good geometrical constraints of the subsurface structure. The thermal history comes from the analyses of apatite thermochronology, thermal maturation of hydrocarbon source rocks and isotope analysis of fluid inclusions from syntectonic veins. New information from zircon fission track and zircon (U-Th)/He analysis provide constraints on the thermal evolution of the IWU thrust belt over geological time. These analyses demonstrate that the time-temperature pathway of the rocks sampled never reached the required conditions to reset the thermochronometers necessary to provide new timing constraints. Previous thermal constraints for maximum temperatures of IWU thrust belt rocks, place the lower limit at ~110°C and the upper limit at ~328°C. New zircon fission track results suggest an upper limit at ~180°C for million year time scales. ID-TIMS and LA-ICPMS of syntectonic calcite veins suggest that new techniques for dating times of active deformation are viable given that radiogenic isotope concentrations occur at sufficient levels within the vein material.

Orientador: Peter Christian Hackspacher / Banca: Norberto Morales / Banca: Sandro Guedes / Banca: Cláudio Riccomini / Banca: Pedro José Nunes / Resumo: Neste trabalho são apresentados os resultados obtidos por meio de análises geomorfológicas (Mapa de Níveis de Paleosuperfícies) e termocronológicos (traços de fissão em apatitas e U-Th/He em apatitas) ao longo da Serra do Mar nos setores (1), (2), (3) e (4). As correlações entre as analises geomorfológicas e termocronológicas evidenciaram uma geológica e geomorfológica compreendida entre o Cretáceo Superior e Paleoceno, demonstrando que a evolução das morfologias que compõem a área de estudo estiveram associadas a eventos tectônicos e sucedidos por uma intensa atividade erosiva. De acordo com as datações realizadas utilizando termocronômetros com temperatura de fechamento distintas, estes indicaram que as configurações dos relevos que compõem a Serra do Mar não podem ser associadas apenas aos efeitos das atividades erosivas (recuo de escarpa) e isostáticas, para poderem explicar a homogeneidade entre as idades de traços de fissão e (U-Th)/He em apatitas, sem a presença da atuação tectônica soerguendo e desnivelando parte destes relevos. / Abstract: In this paper the results obtained geomorphological analysis (Map of levels of Palaeosurfaces) and thermochronogical analysis (apatite fission-track and UTh/ He). The correlation between the geomorphologica and the thermochronological analysis evidenced a geological and geomorphological evolution from the Upper Cretaceous to the Palaeocene, showing that the evolution of the morpholoies composing the study area were associated to tectonics events and preceded by intense erosive activity. According to the datings done using thermocronometers with distinct closing temperatures the configuration of the relieves that compose the Serra do Mar can not be associated only to the effects of the erosive (escarpment retreate) and isostatic activities but also to the tectonic motion uplifting and unlevelling part such morphologies, in order to explain the homogeneity between the ages of the fission-track and U-Th/He of apatites. / Doutor