Topography and exhumation of the High Atlas (Morocco)

Abstract

L‘Alto Atlas e l‘Anti Atlas sono le due catene montuose più importanti che si estendono sull‘Africa nord occidentale. L‘Alto Atlas è una catena a doppia vergenza messa in posto durante la compressione Cenozoica come inversione di un bacino di rift Triassico-Giurassico. L‘Anti Atlas al contrario, ha una storia più antica e si è sviluppato durante l‘orogenesi del Varisico. Entrambe sono caratterizzate da un‘importante elevazione topografica che supera i 4 km nell‘Alto Atlas e i 3 km nell‘Anti Atlas. Tale elevazione topografica però, non è compensata isostaticamente nè dal raccorciamento nè dalla quantità di esumazione, che sono per entrambe le catene limitati. Inoltre, l‘Alto Atlas mostra significative e brusche variazioni laterali in termini di ampiezza, elevazione, età di raffreddamento e stile strutturale. Queste osservazioni indicano che sia importanti processi crostali (alla piccola scala) che profondi (alla grande scala) caratterizzano l‘Alto Atlas e l‘Anti Atlas. In questo lavoro confrontiamo dati strutturali ed età di raffreddamento con dati morfometrici alla scala della catena. Presentiamo 4 sezioni geologiche e 59 stazioni strutturali di misura lungo le principali faglie che agiscono sull‘Alto Atlas occidentale e sui settori settentrionali dell‘Anti Atlas. In queste regioni, la compressione riattiva con diverse cinematiche faglie che tagliano: il basamento Precambriano e Paleozoico, il Mesozoico e la copertura del Cenozoico. Presentiamo inoltre 35 età di (U-Th-Sm)/He (AHe) e 24 età di tracce di fissione (AFT) su apatite, su campioni raccolti sia nell‘Alto Atlas che nell‘Anti Atlas. Le nostre età di AHe variano tra 141.1 e 5.1 Ma, mentre le AFT variano tra 196.0 e 10.4 Ma. Nei settori assiali dell‘Alto Atlas occidentale sono state trovate età Mio-Plioceniche, mentre nell‘Anti Atlas l‘età più giovane è Oligocenica (33.8 Ma). Utilizzando un modello di inversione sui nostri nuovi dati e su quelli già presenti in letteratura, abbiamo stimato i tassi di esumazione che non superano i 0.35 km/Ma. In conclusione, mostriamo diverse analisi morfometriche, come swath profile, e un‘analisi su 33 fiumi principali che drenano l‘Alto Atlas. L‘analisi dei fiumi include sia una mappa del Ksn, sia la concavità e la pendenza dei singoli fiumi che variano rispettivamente tra 0.29 e 0.93 e tra 70 e 198. Nelle regioni occidentali dell‘Alto Atlas, le strutture assiali sono caratterizzate da una forma sigmoidale, ereditata dalle fasi deformative precedenti. La riattivazione di queste faglie ha favorito durante il raccorciamento Cenozoico una cinematica prevalentemente di transpressione destra. Tale cinematica agisce su piani orientati circa N50° o N230° con una direzione di trasposto di circa N250/270° o N70/90°. Questo stile di inversione, dovuto principalmente sia alla riattivazione di strutture pre-esistenti, sia all‘assenza di copertura Mesozoica, controlla alla piccola scala le significative variazioni laterali dell‘Alto Atlas. Infatti, nella parte assiale dell‘Alto Atlas occidentale, dove la deformazione avviene principalmente per transpressione, noi vincoliamo il massimo spessore esumato tra 4 e 6 km e il massimo tasso di esumazione tra 0.20 e 0.35 km/Ma. Per di più, in questi settori occidentali, la catena si presenta stretta, con una elevazione topografica superiore a 4 km e con fiumi notevolmente pendenti. Nell‘Alto Atlas centrale il raccorciamento è accomodato prevalentemente da pieghe e sovrascorrimenti, che interessano la copertura sedimentaria Mesozoica e Cenozoica. Questi sovrascorrimenti agiscono su faglie orientate circa N90° e N270° con una direzione di trasporto di circa N0° e N180°. In questi settori orientali, in cui la deformazione avviene per sovrascorrimento, lo spessore esumato è inferiore rispetto a quello dei settori occidentali ed è compreso tra 1.9 e 4.0 km con un tasso di esumazione che varia tra 0.01 e 0.2 km/Ma. Inoltre, in questi settori la catena si presenta piu ampia, con una elevazione topografica non superiore a 3.5 km e con fiumi poco pendenti. Nell‘Anti Atlas, le strutture recenti sono caratterizzate da una cinematica transpressiva destra. Qui, lo spessore esumato stimato è inferiore a 1.5 km. Nell‘Alto Atlas, evidenze di terreno e modelli termici indicano, a partire dal tardo Miocene (circa 10-15 Ma), un‘accelerazione dell‘attività delle faglie. Nello stesso momento, anche dovuto all‘attività di queste strutture, è registrato il principale evento esumativo dell‘Alto Atlas. La nostra analisi strutturale evidenzia che i depositi vulcanici del Miocene e la loro messa in posto è controllata da faglie. Queste strutture agiscono con la stessa cinematica transpressiva destra che definisce le strutture dell‘Alto Atlas occidentale. Ciò suggerisce un legame tra l‘Alto Atlas e l‘Anti Atlas durante l‘inversione. Inoltre, la deformazione crostale rappresenta il fattore dominante che controlla l‘evoluzione della superficie in termini di fagliazione e quindi di sollevamento ed esumazione. Sebbene la deformazione crostale controlli i processi alla piccola scala, un contributo mantellico alla grande scala è necessario per bilanciare l‘elevazione topografica dell‘Alto e Anti Atlas. Per meglio comprendere tali processi profondi, abbiamo unito i nostri dati strutturali e termocronologici con topografie residue e filtrate e con tassi di esumazione osservati a differenti intervalli temporali. I nostri tassi di esumazione aumentano significativamente a partire dal Miocene Medio e la topografia residua e filtrata suggerisce un maggiore contributo mantellico sotto L‘Alto Atlas centrale.

The High Atlas and the Anti Atlas are the two most relevant mountain chains in the northwest of Africa. The High Atlas of Morocco is a double-vergent mountain belt developed during Cenozoic compression by the inversion of a Triassic-Jurassic rift. By contrast, the Anti Atlas is more ancient and it emplaced during the Variscan orogeny. Both of them are characterized by a prominent topography elevation that is over 4 km in the High Atlas, and over 3 km in the Anti Atlas. This high elevation is not isostatically compensated neither by the shortening nor by the amount of exhumation, that are limited in both cases. Furthermore, the High Atlas shows remarkable and sharp lateral variations in terms of width, elevation, cooling ages and structural setting. These observations indicate that both crustal and deep processes participate in shaping the High Atlas and the Anti Atlas belts. In this work, we combine structural and thermochronologic data with large-scale morphometric features of the belt. We present 4 geological cross sections and 59 structural stations of measurement along the primary structures that act in the western High Atlas and the northern Anti Atlas. Here, the shortening reactivates faults that cross-cut Precambrian and Paleozoic basement, Mesozoic and Cenozoic rocks and deposits with different kinematics. We also present 35 new mean (U-Th-Sm)/He (AHe) and 24 new fission-track (AFT) ages on apatite collected both in the High Atlas and in the Anti Atlas. Our new AHe ages range from 141.1 Ma to 5.1 Ma and our new AFT ages range from 196.0 Ma to 10.4 Ma. Mio-Pliocene cooling ages are found in the axial region of the western High Atlas, whereas in the Anti Atlas, the youngest cooling age is Oligocene (33.8 Ma). Using these data plus previously published cooling ages, we derived exhumation rates using an inversion model. Finally, we present a morphometric analysis such as swath profiles, local relief and river analysis on 33 main rivers that drain the High Atlas belt. The rivers analysis include a ksn map and the concavities and steepness indices which range from 0,29 to 0,93 and from 70 to 198, respectively. In the western regions of the High Atlas, the axial structures inherited an overall sigmoidal shape that accommodated the Cenozoic shortening largely by dextral transpression kinematic. This dextral kinematic exerts on faults strike N50° and N230° with a sense of shear oriented at about N70/90°- 250/270°. This style of inversion, due to the pre-existing structures, control the major HA lateral variations. In fact, in these regions, we constraint the maximum amount of Cenozoic exhumation between 4.0 to 6.0 km and the maximum exhumation rate in the range of 0.2 to 0.3 km/Ma. Here, in the western regions, the High Atlas is narrow, the topography elevation is over 4 km and the rivers have high values of steepness. In the Central High Atlas, the shortening is accommodated by folding and thrusting that cross-cut mostly the sedimentary Mesozoic and Cenozoic covers. This thrusting kinematic act on N90° and N270° strike fault with a sense of movement oriented at about N0-180°. Here, the amount of exhumation is lower and range among 1.9 to 4.0 km with exhumation rates from 0.01 to 0,2 km/Ma. Furthermore, in the central High Atlas, the mountain chain is wider, the topography elevation peaks 3.5 km and the rivers have low values of steepness. In the Anti Atlas, the recent activities of the structures are characterized by dextral transpression kinematic. Here, we constraint the amount of exhumation to generally less than 1.5 km. In the High Atlas, field observations and thermal modeling show since the late Miocene (about 10- 15 Ma), the principal activity of the structures. In the same time, due also to the faulting, the major exhumation is recorded. Our structural analysis indicates that the Anti Atlas Miocene volcanism and their emplacements are controlled by faulting. These faults act with the same dextral transpressional kinematic of the structures that characterize the western High Atlas. This suggests a bearing among the High Atlas and Anti Atlas during the inversion. Furthermore, crustal deformation exerts a significant and primary control on the surface evolution in terms of exhumation and uplift. Although the crustal deformation controls the processes at the short wavelength scale, a mantle/deep support at the large wavelength scale, is required to balance the High and Anti Atlas topography elevation. In order to better understand this process, we merge our structural and thermochronological data with some filtered and residual topographies and exhumation rates observed at several time intervals. Our exhumation rates significantly increase since the Middle Miocene and the residual and the smoothed topography suggest a major mantle contribution underneath the central High Atlas.