Cenozoic mountain building and topographic evolution in Western Europe: impact of billions of years of lithosphere evolution and plate kinematics

Construction orogénique et évolution topographique de l’Europe de l’Ouest au Cénozoïque : impact de l’évolution de la lithosphère sur des milliards d’années et de la cinématique des plaques

¹ GET-OMP, UMR 5563, Université Paul Sabatier, Toulouse, France
² Total EP, R&D Nexts, Avenue Larribau, 64018 Pau, France
³ ISTO, Université d’Orléans, CNRS, 45000 Orléans, France
⁴ CRPG, Université de Lorraine, Nancy, France
⁵ Sorbonne Université, UMR 7193 CNRS-UPMC, Institut des Sciences de la Terre Paris, F-75005 Paris, France
⁶ IPGS, EOST, Université de Strasbourg, Strasbourg, France
⁷ M&U SAS, 3 Rue des Abattoirs, 38120 Saint-Egrève, France
⁸ BRGM, GeoResources Division, Orléans, France
⁹ ISTERRE, Université Grenoble Alpes, CNRS, Grenoble, France

^* Corresponding author: frederic.mouthereau@get.omp.eu

Received: 21 May 2021
Accepted: 24 September 2021

Abstract

The architecture and tectono-magmatic evolution of the lithosphere of Europe are the result of a succession of subduction, rifting and inputs from plumes that have modified the lithospheric mantle since the Neoproterozoic (750–500 Ma). These events gave birth to contrasting crust-mantle and lithosphere-asthenosphere mechanical coupling between strong, viscous, thick, cold, depleted mantle of the Archean lithosphere of the West African Craton and the East European Craton, and the weak, low viscous, thin, hot and less depleted mantle of the Phanerozoic lithosphere of Central Europe. These differences were long-lived and explain the first-order present-day stresses and topography as well as the styles of orogenic deformation. The lack of thermal relaxation needed to maintain rheological contrasts over several hundreds of millions of years requires high mantle heat flux below Central Europe since at least the last 300 Ma. A combination of edge-driven convection on craton margins and asthenospheric flow triggered by rift propagation during the Atlantic and Tethys rifting is suggested to be the main source of heat. The topography of Central Europe remained in part dynamically supported during most of the Mesozoic thinning in line with the long-term stability of thermal-mechanical structure of the lithosphere. Timing and rates of exhumation recorded across Western Europe during convergence indicate that an additional control by the architecture of Mesozoic rifted margins is required. By 50 Ma the acceleration of orogenic exhumation, from the High Atlas to the Pyrenees, occurred synchronously with the onset of extension and magmatism in the West European Rift. Extension marks the onset of distinct orogenic evolution between Western Europe (Iberia) and the Alps (Adria) in the east, heralding the opening of the Western Mediterranean. A major kinematic re-organisation occurred triggering the involvement of more buoyant and thicker portions of rifted margins resulting in widespread orogenic growth. We conclude that conceptual models of collision require to better account for the thermo-magmatic evolution of the continental lithosphere, especially the original architecture and composition of its mantle, as well as the precise knowledge of the architecture of the rifted margins to explain the timing and rates of orogenic topography.

Résumé

L’architecture et l’évolution tectono-magmatique de la lithosphère européenne sont le résultat d’une succession de périodes de subduction, d’amincissement et de la contribution de panaches mantelliques qui ont modifié le manteau lithosphérique depuis le Néoprotérozoïque (750–500 Ma). Ces événements ont donné naissance à des couplages mécaniques croûte-manteau et lithosphère-asthénosphère très différents entre le manteau résistant, très visqueux, épais, froid et appauvri de la lithosphère archéenne du craton ouest-africain et du craton est-européen, et le manteau faible, faiblement visqueux, mince, chaud et moins appauvri de la lithosphère phanérozoïque de l’Europe centrale. Ces différences qui ont persisté depuis reproduisent au premier ordre bien les contraintes et la topographie actuelles, ainsi que les styles de déformation orogénique. L’absence de relaxation thermique nécessaire au maintien des contrastes rhéologiques pendant plusieurs centaines de millions d’années nécessite un flux de chaleur mantélique élevé sous l’Europe centrale depuis au moins les 300 derniers Ma. Nous suggérons que le principal moteur soit la combinaison de la convection sur les bords des cratons et d’un flux asthénosphérique déclenché par l’ouverture de l’Atlantique et de la Téthys. La topographie de l’Europe centrale est restée en partie soutenue dynamiquement pendant la majeure partie de l’amincissement mésozoïque, en accord avec à la stabilité de la structure thermo-mécanique de la lithosphère. La chronologie et les taux d’exhumation enregistrés en Europe occidentale pendant la convergence indiquent qu’un contrôle supplémentaire par l’architecture des marges continentales mésozoïques est nécessaire. Vers 50 Ma, l’accélération de l’exhumation orogénique, du Haut Atlas aux Pyrénées, s’est produite de façon synchrone avec le début de l’extension et du magmatisme dans le rift ouest-européen. L’extension marque le début d’une évolution orogénique distincte entre l’Europe occidentale (Ibérie) et les Alpes (Adria) à l’est, annonçant l’ouverture de la Méditerranée occidentale. Une réorganisation cinématique majeure s’est produite, déclenchant l’implication de parties moins denses et plus épaisses des marges riftées, ce qui a entraîné une croissance orogénique généralisée. Nous concluons que les modèles conceptuels de collision doivent davantage tenir compte de l’évolution thermo-magmatique de la lithosphère continentale, en particulier de l’architecture et de la composition initiale de son manteau, ainsi que de la connaissance précise de l’architecture des marges continentales pour expliquer la chronologie et la vitesse de construction de la topographie orogénique.