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Foreland exhumation controlled by crustal thickening in the Western Alps

In alpine-type collision belts, deformation of the foreland may occur as a result of forward propagation of thrusting and is generally associated with thin-skinned deformation mobilizing the sedimentary cover in fold-and-thrust belts. Locally, foreland deformation can involve crustal-scale thrusting and produce large-scale exhumation of crystalline basement resulting in significant relief generation. In this study, we investigate the burial and exhumation history of Tertiary flexural basins located in the Western Alpine foreland, at the front of the Digne thrust sheet (southeast France), using low-temperature apatite fission-track and (U-Th)/He thermochronology. Based on the occurrence of partially to totally reset ages, we document 3.3–4.0 km of burial of these basin remnants between ca. 12 Ma and 6 Ma, related to thin-skinned thrust-sheet emplacement without major relief generation. The onset of exhumation is dated at ca. 6 Ma and is linked to erosion associated with significant relief development. This evolution does not appear to have been controlled by major climate changes (Messinian crisis) or by European slab breakoff. Rather, we propose that the erosional history of the Digne thrust sheet corresponds to basement involvement in foreland deformation, leading to crustal thickening. Our study highlights the control of deep-crustal tectonic processes on foreland relief development and its erosional response at mountain fronts.
 
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Schwartz, S., Gautheron, C., Audin, L., Dumont, T., Nomade, J., Barbarand, J., Pinna-Jamme, R., van der Beek, P., 2017. Foreland exhumation controlled by crustal thickening in the Western Alps. Geology. 45(2):139-142

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PhD position: “Processes and causes of rock exhumation in the context of intraplate oceanic setting constrained by low to moderate temperature thermochronology”

Processes and causes of rock exhumation in the context of intraplate oceanic setting constrained by low to moderate temperature thermochronology

 

Voie d’admission : Concours d’accès aux contrats doctoraux des établissements d’enseignement supérieur
Spécialité Structure et évolution de la terre et des autres planetes
Ecole Doctorale SMEMaG – Sciences mécaniques et énergétiques, matériaux, géosciences
Titre Les moteurs de l’exhumation des roches et leurs causes en contexte intraplaque océanique contraints par la thermochronologie basse et moyenne température
Titre Processes and causes of rock exhumation in the context of intraplate oceanic setting constrained by low to moderate temperature thermochronology
Directeur de thèse Mlle Cécile Gautheron
Co-directeur de thèse M. Guillaume DELPECH
Encadrement Cécile Gautheron, Guillaume Delpech (GEOPS) et Sébastien Nomade (LSCE)
Unité de recherche Geosciences de Paris Sud UPR 8148
Mots clés îles océaniques, exhumation, érosion, changement climatique, isostasie, topographie dynamique, thermochronologie, pétrologie magmatique, modélisation numérique
Mots clés oceanic islands, exhumation, erosion, climate change, isostasy, dynamic topography, thermochronology, magmatic petrology, numerical modeling
Profil candidat Le candidat devra posséder de bonnes bases en pétrologie magmatique, ainsi qu’en thermochronologie basse et moyenne température. Des bases en modélisation numérique sont aussi les bienvenues.
Profil candidat The applicant will need strong skills in magmatic petrology and in low and moderate temperature thermochronology. Additional skills in numerical modeling are also desirable but not mandatory.
Résumé Les processus d’exhumation des roches et leurs causes dans les contextes de convergence (e.g. collision continentale) sont généralement associés au couplage climat/tectonique. Il est souvent invoqué comme un paramètre clé expliquant la morphologie des chaînes de montagne et à plus large échelle de la croûte continentale (Valla et al., 2011 ; Herman et al., 2013). Très récemment, le rôle de processus internes (e.g. topographie dynamique) a aussi été suggéré (Guillaume et al., 2013), ainsi que la différence de densité des roches qui pourrait localiser l’érosion (Braun et al ., 2014). Néanmoins, la discrimination entre le rôle respectif des processus internes et externes est actuellement difficile et s’ajoute à cela l’influence locale ou à plus grande amplitude des différents processus (isostasie, topographie dynamique ; e.g. Braun et al., 2010). Une manière d’améliorer notre compréhension des processus gouvernant l’érosion des reliefs est d’étudier les causes des processus d’exhumation dans un contexte géodynamique où la tectonique ne joue qu’un rôle mineur au cours du temps. L’objectif de ce projet est donc de caractériser et quantifier pour la première fois la part des différents processus (internes/externes) sur l’exhumation des roches en domaine intraplaque océanique.La méthodologie proposée dans ce projet concerne l’utilisation des roches plutoniques différenciées (granites, syénites) formant des complexes intrusifs dans certaines îles océaniques comme marqueurs de l’exhumation des roches. Pour mener à bien ce projet, il s’agira de contraindre (1) les conditions de mise en place des roches plutoniques dans ces îles océaniques par l’examen pétrographique détaillé et les méthodes thermobarométriques (températures, profondeur de mise en place) ; (2) l’utilisation de la thermochronologie basse et moyenne température pour déterminer de manière quantitative les chemins d’exhumation des roches au cours du temps permettant la définition des taux et vitesse d’exhumation de ces roches.
L’ensemble de ces données permettra de développer un/des modèle(s) d’exhumation en fonction du rôle de chacun des processus internes/externes. Grâce à l’utilisation d’un logiciel de modélisation numérique (PECUBE; Braun, 2003), ces données quantitatives permettront de retracer l’évolution de la morphologie de ces îles au cours du temps.
Pour caractériser l’influence des variations climatiques et des processus internes sur l’érosion des îles océaniques au cours du Cénozoïque (Oligocène-actuel), nous proposons de travailler sur l’exhumation des roches plutoniques des îles océaniques situées principalement dans la zone sub-antarctique (Kerguelen ; Ahadi et al., 2014, Crozet) où les variations climatiques sont connues au cours du Cénozoïque. Des roches de différents massifs plutoniques des îles Kerguelen, géographiquement dispersées sur l’archipel, et d’âges différents (30-5 Ma) seront étudiées. La comparaison entre roches plutoniques appartenant à différentes intrusions permettra de mettre en évidence le rôle des différents processus permettant l’exhumation des roches au cours du temps.
Les modèles d’exhumation produits dans le cas des îles océaniques seront comparés avec un cas situé en domaine de convergence (Japon) où les roches plutoniques terrestres les plus jeunes (0,8 Ma), intrusives dans des plutons Cénozoïques ou Mésozoïques, sont déjà à l’affleurement (Ito et al., 2013).Les méthodes de thermochronologie basse et moyenne température employées incluront la thermochronologie (U-Th)/He sur apatite et zircon, les traces de fission sur apatite, et pour la moyenne température la thermochronologie Ar/Ar sur différents minéraux (biotite, amphibole, feldspaths). L’âge de mise en place des complexes intrusifs étant essentiel pour la caractérisation des chemins temps-température, il sera nécessaire dans certains cas d’utiliser la méthode (U/Pb) sur zircons pour déterminer l’âge de cristallisation des roches.

Le candidat devra posséder des bases solides en pétrologie magmatique ainsi qu’en thermochronologie basse/moyenne température. Des bases en modélisation numérique sont aussi souhaitables. Ce projet est en collaboration entre le laboratoire GEOPS (Université Paris-Sud), le LSCE (CEA), ISTerre (Université Joseph Fourier) et l’Université de Kyoto (Japon).

Résumé Exhumation processes and their causes in convergent margin settings (e.g subduction-related orogens) are commonly thought to result from the interplay between tectonics and climate. This interplay is invoked to explain the formation and evolution of reliefs during orogens (Valla et al., 2011 ; Herman et al., 2013). Recently, the role of mantle dynamics has also been suggested to create uplift (Guillaume et al., 2013). However, a clear discrimination between internal and external processes that cause the rock exhumation is not straightforward, moreover, they may act on different timescales and may be responsible of uplift at only local or more regional scale.
One way to improve our knowledge of processes (and their causes; isostasy, dynamic topography; Braun et al., 2010; 2014) governing the creation and evolution of mountain reliefs is to study the processes of rock exhumation in a geodynamic context where one of these processes only plays a minor role on geological timescales.
The aim of this project is to characterize and quantify for the first time the interplay between the external processes (tectonics, climate) and internal (mantle dynamics) that are responsible for the exhumation of rocks in oceanic islands where climate variations are known and where tectonics only plays a minor role.The proposed methodology in this project will allow constraining rigorous temperature-time paths by using plutonic rocks (syenites, granites, gabbro) as a marker of rock exhumation. The methodology will require (1) to constrain the conditions for emplacement of plutonic rocks in the oceanic crust by using detailed petrography and thermo-barometric methods (temperature, depth of emplacement); (2) the use of low to moderate temperature thermochronology to quantitatively determine the exhumation paths over time, which will allow quantifying in turn exhumation rates.
The data will enable to establish exhumation models according to the role of each internal/external processes. By using numerical modeling (PECBUE, Braun, 2003), the quantitative data will permit to reconstruct the morphological evolution of the islands through time.
To characterize the impact of climate variations and of mantle dynamics on the erosion pattern of oceanic islands during the Cenozoïc, it is proposed to use plutonic rocks from oceanic islands from the subantarctic area (Kerguelen ; Ahadi et al., 2014, Crozet) where climate variations are known during the Cenozoïc. Rocks from different plutonic complexes emplaced from ≈25 Ma to few Ma from Kerguelen Islands will permit to constrain the role of each process through time.
The exhumation models produced using the data acquired on the oceanic islands will be used to better understand the Cenozoïc uplift in a convergent margin, precisely in Japan where the Earth’s most recent plutonic rocks (0.8 Ma ; Ito et al., 2013) outcrop at high heights (up to 3000 m).
The low and moderate temperature thermochronology methods will include (U-Th/He) thermochronology on apatite and zircon, apatite fission track and Ar/Ar thermochronology on various minerals (biotite, amphibole). The crystallization age of plutonic rocks being essential for the definition of temperature-time paths, the use of U/Pb method might be required when the crystallisation age is unknown.
It is required that the applicant owns strong skills in magmatic petrology as well in low and moderate temperature thermochronology. Additional skills in numerical modeling are also desirable but not mandatory. This project is a collaborative project between GEOPS (Paris Sud University), LSCE (CEA), ISTerre (Joseph Fourier University) and the University of Tokyo (Japan).
Thématique Les processus d’exhumation des roches et leurs causes sont relativement bien connues dans les contextes de convergence (collision continental). Cependant, rien n’est connu sur ces processus dans le cas des domaines océaniques intra-plaques (îles océaniques) ou le rôle de la tectonique est mineur. En particulier, il s’agira de intéresser aux variations climatiques depuis le Cénozoïque, sur des îles se trouvant dans différents contextes climatiques.
Domaine Sciences de la Terre
Objectif L’objectif de ce projet est de caractériser la part des différents processus (internes/externes) sur l’exhumation des roches en domaine intraplaque océanique et dans des contextes climatiques variables au cours du temps.
Contexte Ce projet est s’insère dans les thématiques scientifiques du laboratoires GEOPS et du LSCE (CEA Saclay). Ce type d’étude est novateur et apportera des contraintes fortes sur les causes des processus d’exhumation des roches. Des conclusions plus générales quant aux moteurs de l’érosion pourront être déduites de cette étude. Il sera aussi possible d’appliquer ces conclusions aux domaines en collision.
Méthode Plusieurs méthodologies seront employées au cours de ce travail, incluant la pétrologie magmatique, la thermo-barometrie, et la thermochronologie basse à moyenne température ((U-Th/He), Ar/Ar). L’ensemble des ces données seront intégrées dans un modèle numérique, permettant de déterminer les taux et vitesses d’exhumation des roches (QTQt). Ainsi, il sera possible avec ces résultats de retracer l’évolution de la morphologie des îles océaniques dans le temps grâce à la modélisation numérique (PECUBE).
Résultat attendu Pour la première fois, des données quantitatives sur l’érosion des roches en domaine océanique seront obtenues. Un modèle prenant en compte les paramètres d’exhumation des roches en fonction du rôle de chacun des paramètres (internes/externes) sera construit. L’ensemble des résultats fera l’objet de publications et présentations dans des conférences nationales et internationales.
Référence bibliographique Ahadi, F., Delpech, G. Gautheron, C., Pinna-Jamme, R., Ponthus, L., Guillaume, D., 2014. Neogene erosion of the Kerguelen Archipelago : preliminary constraints from (U-Th/He) thermochronology on plutonic rocks. 24ème Réunion des Sciences de la Terre, 27-31 october Pau, France.Braun, J., 2003. Pecube : A finite element code to solve the heat transport equation in three dimensions in the Earth’s crust including the effet of a time-varying, finiteamplitude surface topography. Comput. Geosc. 29, 787-794.Braun, J., 2010. The many surface expressions of mantle dynamics. Nature Geoscience 3, 825-833.

Braun, J., Simon-Labric, T., Murray, K. E., Reiners, P. W., 2014. Topographic relief driven by variations in surface rock density. Nature Geoscience 7, 534-540.

Herman, F, Seward, D., Valla., P.G., Carter, A., Kohn, B., Willette, S.D., Ehlers, T.A., 2013. Worldwide acceleration of mountain erosion under a cooling climate. Nature, 504, 423-426.

Guillaume, B., Gautheron, C., Simon-Labric, S., Martinod, J., Roddaz, M., Douville, E., 2013. Dynamic topography control on Patagonian relief evolution as inferred from low temperature thermochronology. Earth and Planet. Sci. Lett., 364, 157-167.

Ito, H., Yamada, R., Tamura, A., Arai., S., Horie, K., Hokada, T., 2013. Earth’s youngest exposed granite and its tectonic implications : the 10-0.8 Ma Kurobegawa granite. Sci. Rep. 3, 1306 ; DOI :10.1038/srep01306.

Valla, P.G., Shuster, D.L., van der Beek, P.A., 2011. Significant increase in relief of the European Alps during mid-Pleistocene glaciations. Nature Geoscience, 4, 688-692

 

CANDIDATER: https://www.universite-paris-saclay.fr/fr/Doctorat/Offre-sujets-de-theses

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Postdoctoral position

Computational chemistry: Molecular simulations of the He / Ne diffusion in iron oxide
18 months postdoctoral position is opened at the Institut de Physique Nucléaire d’Orsay 91340 (IPNO – Univ. Paris-Sud, France) under the supervision of Dr. Jerome Roques and Cécile Gautheron (GEOPS – Univ. Paris-Sud)
Starting date: January 2015
The candidate will be involved in the simulation of the He/Ne diffusion in iron oxide with theoretical approaches. Strong interaction with experimentalists is foreseen.
The successful candidate must have strong experience in periodic-DFT calculations to investigate:

(1) He / Ne diffusion in iron oxide bulk (investigation of the interstitial sites, activation energies to overcome barriers from one site to another one (using the NEB approach), He diffusivity by kinetic Monte Carlo approach, …)
(2) He / Ne interactions with the iron oxide surfaces.
A good communication skill, both with theoreticians and experimentalists is required.
The candidate should not have worked as postdoc after her/his PHD. The net salary (grant) is around 2100 euros/month.
Review of applications will begin immediately and continue until the position will be filled. Interested candidates should send a CV, a motivation letter and two reference persons to J. Roques (roques@ipno.in2p3.fr).
Key words: DFT, periodic calculations, VASP, Kinetic Monte-Carlo, surface, bulk, diffusion

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