Parametric mechanical analysis of thin- versus thick-skinned tectonics applied to the Jura belt

Analyse mécanique paramétrique de la tectonique pachydermique ou épidermique appliquée à la chaîne du Jura

¹ CY Cergy Paris Université, Département Géosciences et Environnement, 95000 Neuville-sur-Oise, France
² Federal Office of Topography swisstopo, Wabern, Switzerland

^* Corresponding author: bertrand.maillot@cyu.fr

Received: 22 March 2022
Accepted: 15 December 2022

Abstract

Field observations and seismic interpretations testify that the front of the Jura fold-and-thrust belt is still submitted to compressive deformation, but whether the basement is deforming (thick-skinned) or not (thin-skinned) is an active question. We propose a mechanical point of view using the Kinematic approach of the Limit Analysis theory (KLA). We first draw cross-sections containing a major shallow décollement level in the Triassic evaporites, including the Alps up to the topographic maximum and including the whole crust. We submit the cross-sections to a compressive force at their southern end, and the KLA determines the location and geometry of the incipient ruptures by optimisation of the associated compressive force, accounting for force balance and for the rock strength (Coulomb criterion). Five cross-sections span the whole Jura from west to east, allowing us to explore the lateral variations. From the analysis of 500 simulations (100 for each cross-section), varying the friction angles of the Triassic décollement and of the lower crust between 1° and 10°, we have identified five types of tectonics at the Jura front depending on the emergence of a basement thrust beyond the Jura front (type 1), at the Jura front (type 2) with simultaneous activation of the shallow décollement (type 3), or south of the Jura front (type 5), with activation of the shallow décollement at the Jura front (type 4). The analysis allows us to draw two conclusions. First, the transitions between the various tectonic styles occur abruptly upon continuous changes in the friction parameters, revealing a threshold behaviour that we interpret as an extension of the concept of wedge criticality in the Critical Coulomb Wedge theory: at criticality, several tectonic types may occur within a narrow, critical range of parameter values. Second, the critical range evolves systematically between cross-sections, in such a way that the front of the thick-skinned deformation crosses laterally the Jura belt. The two most western cross-sections exhibit only thin-skinned or no tectonics at the Jura front (types 1, 4 and 5), the central one hosts all five styles, and the two Eastern ones show thick-skinned solutions (types 1, 2 and 3), for all values tested. We also show that a thick-skinned tectonic style can be accompanied by a simultaneous activation of the shallow Triassic décollement (type 4), complicating the interpretation of apparent thin-skinned field structures. Overall, our simulations yield tectonic styles compatible with natural seismicity and GPS data for values of the lower-crust friction angle below 3 to 7°. Modifications of our cross-sections to explore the effect of a bumpy upper/lower crust interface, or of a major décollement at the upper/lower crust interface, or of higher cohesion values, show that the numerical outcomes are rather robust. They only slightly modify the critical ranges at which the tectonic changes occur. These findings may serve as guides, or first order questions, for more sophisticated mechanical approaches including temperature and rate-dependent rheologies and the three dimensions of space that are necessary to capture the competition between compressive and strike-slip tectonic modes.

Résumé

Observations de terrain et interprétations sismiques témoignent d’une déformation compressive au front de la chaîne de chevauchements–plissements du Jura, mais la question de la distribution de la déformation dans le socle (tectonique pachydermique) ou seulement dans la couverture (tectonique épidermique) reste ouverte. Nous proposons un point de vue mécanique à partir de l’approche cinématique du calcul à la rupture (CCR). Nous dessinons des coupes avec un décollement majeur dans le Trias, incluant les Alpes jusqu’au maximum topographique, et toute la croûte en profondeur. Ces coupes sont soumises à une compression à leur extrémité sud. La CCR détermine la géométrie des ruptures en vérifiant l’équilibre des forces et la résistance des roches (critère de Coulomb) et en optimisant cette géométrie par rapport à la force de poussée. Cinq coupes balayent le Jura d’Ouest en Est, nous permettant d’explorer les variations latérales. À partir de l’analyse de 500 simulations (100 pour chaque coupe), où nous faisons varier l’angle de friction sur le décollement et l’angle de friction de la croûte inférieure entre 1° et 10°, nous avons défini cinq types de réponse tectonique au front du Jura en fonction de l’émergence d’un chevauchement de socle au-delà du front (type 1), au front (type 2), avec une activation simultanée du décollement triassique (type 3), ou au sud du front (type 5), avec activation du décollement jusqu’au front (type 4). Nous en tirons deux conclusions. D’abord, la transition entre ces différents types tectoniques s’opère brutalement lors d’une variation continue des deux paramètres, révélant ainsi un comportement à seuil que nous interprétons comme une extension du concept de prisme critique de Coulomb : à la criticalité, plusieurs types tectoniques peuvent apparaître dans une gamme très étroite de valeurs des paramètres (quelques degrés). Ensuite, la gamme de valeurs critiques évolue systématiquement entre les coupes, suggérant que le front de la déformation pachydermique traverse latéralement tout le Jura. Les deux coupes les plus à l’Ouest montrent seulement une tectonique épidermique, ou aucune tectonique (types 1, 4, 5), les coupes centrales montrent tous les styles et les deux coupes à l’Est ne montrent que des types pachydermiques (types 1, 2, 3). Nous montrons aussi, plus généralement, que le style pachydermique peut s’accompagner d’une activation du décollement (type 4), compliquant ainsi l’interprétation des marques de tectonique épidermique sur le terrain. Des calculs supplémentaires sur l’effet d’une limite ondulante entre les croûtes supérieure et inférieure, ou sur l’hypothèse d’un décollement majeur entre ces croûtes montrent la robustesse de nos conclusions. Seules les gammes de criticalité changent légèrement. Ces conclusions pourront servir de guide à des analyses plus sophistiquées incluant une rhéologie dépendant du temps et de la température, et une géométrie tri-dimensionnelle pour décrire les régimes tectoniques décrochants.