Did subduction in the western Mediterranean drive Neogene alpine dynamics? Insights from analogue modeling

La subduction en Méditerranée occidentale est-elle à l’origine de la dynamique néogène de la chaîne alpine ? Apports de la modélisation analogique

ISTerre, Université de Savoie Mont Blanc, CNRS, IRD, Université Grenoble Alpes, Université Gustave Eiffel, Le Bourget-du-Lac, France

^* Corresponding author: joseph.martinod@univ-smb.fr

Received: 21 April 2023
Accepted: 10 January 2024

Abstract

In the Western Alps, a first Late Cretaceous to Eocene “Pyrenean-Provençal” compressive phase accommodating N-S shortening resulting from the convergence between Africa and Eurasia is classically described. It is followed by the Neogene “Alpine phase” accommodating E-W shortening. Since this major tectonic change is not explained by a modification of the global Africa-Eurasia convergence, it should be explained instead by more local causes, possibly by the subduction of the Ligurian Ocean that initiated in the Oligocene beneath the European and Iberian plates. In this paper, we present analogue models simulating the Neogene evolution of this subduction zone, in order to understand how it impacted the regional tectonics. Although models do not include the lithospheric plate overriding the subduction zone, their surface deformations share many similarities with the Neogene tectonics of Western Europe and Iberia. We observe that the tectonic evolution is largely controlled by the roll-back of the slab, that occurred much faster than the Africa-Eurasia convergence. Models reproduce the opening of the Western Mediterranean Basins and the dispersion of the AlKaPeCa continental fragments (Alboran, Kabylian, Peloritan and Calabrian blocks). They also show that the subduction of the Ligurian Ocean favors the counterclockwise rotation of Adria. In more elaborated models, we introduced a pre-existing weakness along the Africa and Adria margins, to reproduce the break-off of the oceanic slab that followed the beginning of continental subduction both in Northern Africa and Adria. Slab break-off is followed by the exhumation of the subducted continent. We observe that the influence of subduction on the kinematics of Adria largely decreases following slab break-off. In the models, the total counterclockwise rotation of Adria varies between 7° and more than 30°, depending on the timing of slab break-off. Since the process of subduction modifies the displacement of Adria, it also impacts the tectonic evolution of surrounding regions, especially in the Alpine belt: Our models show that during slab-roll back and before the Ligurian slab break-off, the azimuth of convergence between Adria and Europe shifts from ∼N-S to ∼ENE-WSW. Hence, they suggest that the oceanic subduction in the Western Mediterranean may contribute to the “Oligocene revolution” described by Dumont et al. (2011), leading to E-W shortening in the Western Alps and to the activation of the Periadriatic right-lateral shear zones in the Central Alps. We conclude that the western Mediterranean region is a spectacular example showing how the tectonics of mountain ranges and plate boundaries may be controlled by distant subduction processes.

Résumé

Dans les Alpes occidentales, on décrit classiquement une phase tectonique “pyrénéo-provençale” ancienne, du Crétacé supérieur à l’Éocène, accommodant un raccourcissement N-S résultant de la convergence entre l’Afrique et l’Eurasie. Elle est suivie par la “phase alpine” Néogène, qui correspond à un raccourcissement E-W. Comme ce changement tectonique majeur ne résulte pas d’un changement de convergence entre l’Afrique et l’Eurasie, il doit être expliqué par des causes plus locales, en particulier par la subduction de l’Océan Ligure qui s’est produite à partir de l’Oligocène sous les plaques européenne et ibérique. Nous présentons des modèles analogiques simulant l’évolution de cette zone de subduction, afin de déterminer dans quelle mesure elle a modifié la tectonique régionale. Bien que ces modèles ne comportent pas de plaque lithosphérique chevauchant la zone de subduction, nous observons que leurs déformations de surface présentent de nombreuses similitudes avec la tectonique néogène de l’Europe occidentale et de l’Ibérie, qui est largement contrôlée par le recul du plan de subduction. En effet, celui-ci a été beaucoup plus rapide que la convergence Afrique-Eurasie. Les modèles reproduisent l’ouverture des bassins de Méditerranée occidentale et la dispersion des fragments continentaux AlKaPeCa (Alboran, Kabylie, bloc péloritain et Calabre). Ils montrent également que la subduction de l’Océan Ligure a favorisé la rotation antihoraire de la plaque Adria. Dans certains modèles, nous avons introduit une faiblesse préexistante au niveau des marges africaine et adriatique, afin de reproduire le détachement de la plaque océanique qui s’est produit suite à la subduction continentale, sous l’Afrique du Nord et Adria. Le détachement de la plaque océanique entraine l’exhumation du continent subduit. L’influence de la subduction sur la cinématique de la plaque Adria diminue fortement après que le détachement se soit produit. Dans les modèles, la rotation antihoraire totale d’Adria varie entre 7° et plus de 30°, en fonction de la chronologie du détachement de la plaque plongeante. Puisque le processus de subduction modifie le déplacement d’Adria, il impacte aussi l’évolution tectonique des régions qui bordent cette plaque, en particulier dans les Alpes: Nos modèles montrent que pendant le recul de la plaque plongeante, et avant le détachement océanique, l’azimut de convergence Adria-Europe tourne de ∼N-S à ∼ENE-WSW. Ils suggèrent donc que la subduction océanique de Méditerranée occidentale a contribué à “révolution oligocène” décrite par Dumont et al. (2011), conduisant à un raccourcissement E-W dans les Alpes occidentales et à l’activation des zones de cisaillement dextres péri-adriatiques dans les Alpes centrales. Il apparait que la région méditerranéenne occidentale est un exemple remarquable montrant comment la tectonique des chaînes de montagnes et des frontières de plaques peut être contrôlée par des processus de subduction lointains.