The role of inheritance in forming rifts and rifted margins and building collisional orogens: a Biscay-Pyrenean perspective

34 pages, 11 figures [EN] A long-standing challenge in tectonics is to evaluate the role of inheritance and define the initial conditions of a geodynamic system, which are prerequisites to understand and model its evolution with some accuracy. Here we revisit the concept of “inheritance” by distinguishing “interface shape inheritance”, which includes the transient thermal state and gravitational potential energy, and “persisting inheritance”, which encompasses long-lasting structural and compositional inheritance. This new approach allows us to investigate, at each stage of a Wilson Cycle, the interplay between inheritance (innate/“genetic code”) and the physical processes at play (extension/compression, magmatism etc.). The aim of this paper is to provide a conceptual framework that integrates the role of inheritance in the study of rifts, rifted margins and collisional orogens based on the work done in the OROGEN project, which focuses on the Biscay-Pyrenean system. The Biscay-Pyrenean rift system resulted from a multistage rift evolution that developed over a complex lithosphere pre-structured by the Variscan orogenic cycle. There is a general agreement that the Pyrenean-Cantabrian orogen resulted from the reactivation of an increasingly mature rift system along-strike, ranging from mature rifted margins in the west to an immature and segmented hyperextended rift in the east. However, different models have been proposed to explain the preceding rifting and its influence on the subsequent reactivation. Results from the OROGEN project highlight the sequential reactivation of rift-inherited decoupling horizons and identify the specific role of exhumed mantle, hyperextended and necking domains during compressional reactivation. They also highlight the contrasting fate of rift segment centres versus segment boundaries during convergence, explaining the non-cylindricity of internal parts of collisional orogens. Results from the OROGEN project also suggest that the role of inheritance is more important during the initial stages of collision, which may explain the higher complexity of internal parts of orogenic systems with respect to their external parts. In contrast, when the system involved in the orogeny is more mature, the orogenic evolution is mostly controlled by first-order physical processes as described in the Coulomb Wedge theory, for instance. This may account for the simpler and more continuous architecture of external parts of collisional orogens and may also explain why most numerical models can reproduce mature orogenic architectures with a better accuracy compared to those of initial collisional stages. The new concepts developed from the OROGEN research are now ready to be tested at other orogenic systems that result from the reactivation of rifted margins, such as the Alps, the Colombian cordilleras and the Caribbean, Taiwan, Oman, Zagros or Timor [FR] Un défi de longue date en tectonique consiste à évaluer le rôle de l’héritage et à définir les conditions initiales d’un système géodynamique. Ceux-ci sont en effet des prérequis pour comprendre et modéliser l’évolution d’un tel système avec une certaine précision. Nous revisitons ici le concept d’« héritage » en distinguant « l’héritage (transitoire) d’interfaces », qui comprend d’un côté l’état thermique et de l’autre l’énergie potentielle gravitationnelle, et « l’héritage persistant » qui englobe les hétérogénéités structurales et compositionnelles. Cette nouvelle approche permet d’étudier, à chaque étape du Cycle de Wilson, l’interaction entre l’héritage (inné/« code génétique » du système) et les processus physiques en jeu (extension/compression, magmatisme, etc.). Le but de cet article est de fournir un cadre conceptuel qui intègre le rôle de l’héritage dans l’étude des rifts, des marges riftées et des orogènes de collision, à partir des travaux réalisés dans le projet OROGEN dans le système Gascogne-Pyrénées. Le système de rift Gascogne-Pyrénées résulte de plusieurs épisodes extensifs qui ont successivement affecté une lithosphère déjà complexe car pré-structurée par le cycle orogénique Varisque. Il est généralement accepté que l’orogénèse pyrénéo-cantabrique a résulté de la réactivation d’un système de rift dont la maturité varie d’est en ouest, allant de marges conjuguées matures à l’ouest à un rift hyper-étiré, immature et segmenté à l’est. Cependant, différents modèles ont été proposés pour expliquer l’évolution précédant le rifting et son influence sur la réactivation ultérieure. Les résultats du projet OROGEN montrent une réactivation séquentielle des horizons de découplage hérités du rift et identifient le rôle spécifique des domaines de manteau exhumé, d’hyperextension et d’étranglement lors de la réactivation. Ils mettent également en évidence le sort contrasté des centres de segments de rifts par rapport à leurs bordures lors de l’inversion, expliquant la non-cylindricité des parties internes des orogènes de collision. Les résultats du projet OROGEN suggèrent également que le rôle de l’héritage est plus important pendant les étapes initiales de subduction et de collision, ce qui peut expliquer la plus grande complexité des parties internes des systèmes orogéniques par rapport à leurs parties externes. En revanche, quand les systèmes de rift impliqués sont plus matures, l’évolution orogénique est principalement contrôlée par des processus physiques de premier ordre, tels que ceux décrits par la théorie du Prisme de Coulomb. Ce constat pourrait expliquer l’architecture plus simple et plus continue des parties externes des orogènes de collision par rapport à leurs parties internes, et pourrait également expliquer pourquoi la plupart des modèles numériques reproduisent mieux les architectures orogéniques matures que celles des stades initiaux de collision Les nouveaux concepts développés à partir de la recherche menée lors du projet OROGEN sont désormais prêts à être testés sur d’autres systèmes orogéniques résultant de la réactivation de marges riftées, comme les Alpes, la Cordillère colombienne, les Caraïbes, Taiwan, Oman, Zagros ou encore le Timor This study was funded by the Orogen project, a tripartite joint academic-industry research program between the CNRS, BRGM, and Total R&D Frontier Exploration program With the institutional support of the ‘Severo Ochoa Centre of Excellence’ accreditation (CEX2019-000928-S)