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**Unroofing and fluvial incision of the Miocene Lannemezan Megafan, northern Pyrenean foreland

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**Thesis supervisors

Peter van der Beek – ISTerre, Université Joseph Fourier, Grenoble

Frédéric Mouthereau – ISTEP, Université Pierre et Marie Curie, Paris

**Overview

The single most striking morpho-sedimentary feature of the northern Pyrenean foreland is the Miocene Lannemezan megafan, now incised. However, surprisingly little is known about the evolution of this feature. Basic questions include : what was the post-orogenic evolution of sediment flux, subsidence and source-to-sink relationships ? What controlled megafan development and how is this related to orogenic evolution ? When and why was the fan abandoned and incised ? How large was the feature when it was active ?

This thesis project is incorporated within the framework of the ANR PYRAMID (North PYRenees : Assessing fluid Migration history, rift Inversion and interaction of Deformation with surface processes in a orogenic retrowedge) project and will focus on 1) detrital thermochronometry in the Lannemezan megafan, 2) apatite fission-track (AFT) and (U-Th)/He (AHe) age-depth profiles from foreland boreholes, and 3) cosmogenic dating of river terraces to understand the switch from sedimentation to erosion in the foreland basin.

In order to constrain Neogene source-area exhumation rates and the amount of post-orogenic unroofing of the orogen we will collect new detrital AFT and AHe ages. These data will be analysed in collaboration with a complementary thesis project at GET Toulouse, which focuses on to provenance data from sediment petrography and geochemistry as well as magneto-stratigraphic dating of the deposits.

Additional dating will be carried out on samples collected from well sections distributed along a N-S transect in order to better constrain post-orogenic erosion rates. We will calculate minimum and maximum erosion using a value for the paleo-geothermal gradient similar to the present-day gradient provided by TOTAL for each well.

The incision history of elevated piedmont paleosurfaces can provide critical information to distinguish between climate and tectonic forcing on the current landscape (Wobus et al., 2010). This idea has been examined by numerical modelling of longitudinal river profiles and now needs to be confronted with measured temporal and spatial incision patterns. The Quaternary glaciers of the Pyrenees did not migrate far into the foreland thus leaving elevated surfaces relatively well preserved. Dating Quaternary terraces will help us constrain whether incision of the megafan was due to recent climatic changes or to tectonic uplift. Sandstone pebbles will be sampled at upper and lower reaches of incised valleys in Quaternary river terraces for 10Be cosmogenic nuclide exposure dating.

Wobus, C. W., G. E. Tucker, and R. S. Anderson (2010), Does climate change create distinctive patterns of landscape incision ? Journal of Geophysical Research, 115, F04008, doi : 10.1029/2009jf001562.

**Dénudation et incision fluviale du méga-cône alluvial miocène de Lannemezan, dans l’avant-pays nord-pyrénéen

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**Directeurs de thèse

Peter van der Beek – ISTerre, Université Joseph Fourier, Grenoble

Frédéric Mouthereau – ISTEP, Université Pierre et Marie Curie, Paris

**Résumé

L’élément morpho-sédimentaire le plus caractéristique de l’avant-pays pyrénéen est constitué par le méga-cône alluvial de Lannemezan, actuellement en train d’être incisé. Néanmoins, on ne sait étonnement peu de choses de l’évolution de cette structure. Des questions fondamentales se posent toujours : quelle était l’évolution post-orogénique du flux sédimentaire, de la subsidence et des relations source-puits au Nord des Pyrénées ? Qu’est-ce qui contrôle l’évolution du méga-cône et quel est le lien avec l’évolution orogénique ? Quand et pourquoi le cône a été abandonné et a débuté son incision ? Quelle taille avait cet élément quand il était actif ?

Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet ANR PYRAMID (Le Nord des Pyrénées : évaluer l’histoire de la migration des fluides et de la déformation dans un (rétro)prisme orogénique lors de l’inversion) et se focalisera sur : (1) la thermochronologie détritique dans le cône de Lannemezan, (2) l’acquisition de profils d’âges traces de fission (AFT) et (U-­‐Th)/He (AHe) sur apatite dans des forages de l’avant pays, et (3) la datation cosmogénique de terrasses de rivières afin de comprendre le passage de sédimentation à érosion dans le bassin d’avant pays.

Afin de contraindre les taux d’exhumation néogène dans la région source du cône ainsi que la quantité d’érosion post-orogénique de l’orogène, nous obtiendrons de nouveaux âges AFT et AHe sur des échantillons récoltés dans des forages le long d’un transect nord-sud dans l’avant pays. On calculera des quantités minimales et maximales d’érosion en utilisant une valeur du gradient géothermique similaire au gradient actuel, qui sera fourni par TOTAL pour chaque forage.

L’histoire d’incision des paléo-surfaces de piedmont élevées peut fournir des informations clés pour discriminer entre un forçage tectonique ou climatique sur le relief actuel (Wobus et al., 2010). Cette idée, développée en modélisant numériquement l’évolution de profils de rivières sera confrontée dans notre étude à des mesures de la répartition spatiale et temporelle de l’incision. La datation des terrasses quaternaires aidera à contraindre si l’incision du méga-cône était due à un changement climatique ou au soulèvement tectonique. Nous daterons des galets de grès collectés dans des terrasses alluviales en amont et en aval dans les vallées incisées par la méthode du 10Be cosmogénique.

Wobus, C. W., Tucker, G. E. and Anderson, R. S. (2010), Does climate change create distinctive patterns of landscape incision ? Journal of Geophysical Research , 115, F04008, doi:10.1029/2009jf001562.