1 Introduction

The South-Pyrenean foreland basin (e.g., [11,19,23]) developed in response to the continental subduction of the Iberian plate under Europe [4,5,8,17]. First compressional movements initiated in the Late Cretaceous [22], with a main compressional event in the Early Eocene to Early Oligocene [16]. In the western Pyrenees, compression prolonged until the Early Miocene and led to the formation of the South Pyrenean thrust front [18,19,26] bounding the western External Sierras (Figs. 1 and 2).

In the Early Palaeogene (Palaeocene to Lutetian), the South Pyrenean foreland basin is characterized by two main areas of sedimentation and by a progressive migration of the depocentre from north to south. To the south, continental deposits (continental red clays and lacustrine limestones) dated ‘Garumnian’ (Maastrichtian to Palaeocene, [15]) are followed by Lutetian platform limestone (Fm. Guara) (Fig. 3). To the north, the depocentre is filled by thick (more than 4000 m according to authors) terrigenous turbidites. They are associated to carbonate turbidites [10,13], whose origin is still debated, either from the north [3,12,13,21] or from the south [1,2,20]. In the Late Lutetian–Late Eocene time interval, the foreland basin was covered by marly marine formations (Pamplona Fm. to the north and Arguis Fm. to the south).

2 Evidences of extensional movements in the western External Sierras during the Palaeocene–Lutetian time interval

The External Sierras formed above the South Pyrenean thrust front (Fig. 2). Strata are highly deformed and have generally an inverted dip. In this area, synsedimentary normal faults with few centimetres of vertical offset affect the ‘Garumnian’ deposits, along the Río Gallego (San Felices unit, Fig. 4). The Guara Fm. is abnormally thin, with a maximum of 170 m along the Peña Lake, whereas it reaches 800 m a few kilometres to the east [15]. At the southern end of the Río Gallego, this formation is less than 100 m thick and is cut by a series of normal faults when it passes to the Arguis Fm. (Fig. 5). Fault throws are low (metre to few metres) and their N090°E to N130°E trend is typically that of the Pyrenean structures (Fig. 6). Sedimentological observations show that extensional deformation occurred during the sedimentation. Close to the faults, a massive limestone bed, forming the upper part of the formation, is replaced by an alternation of very thin laminated limestones displaying ripple marks and two sequences of monogenetic breccias that originated from the carbonate platform. These series are topped by a condensed level (50 cm) rich in glauconia and iron oxides. At Fachar (Fig. 2), the thickness of both the upper part of the ‘Garumnian’ and the Guara Fm. progressively decreases when going to the WNW. The Upper ‘Garumnian’ red clay finally disappears and the 1-m-thick Guara Fm. lies directly upon the lacustrine limestones.

3 Discussion and conclusions

Le bassin d'avant-pays sud-pyrénéen (par exemple, [11,19,23]) résulte de la subduction continentale de l'Ibérie sous l'Europe [4,5,8,17] (Fig. 1). Les mouvements compressifs débutent pendant le Crétacé supérieur [22] et se poursuivent, dans la partie occidentale, jusqu'au Miocène inférieur, avec la mise en place du chevauchement frontal sud-pyrénéen [18,19,26], au front des Sierras marginales. La phase pyrénéenne (fin de l'Éocène inférieur à Oligocène inférieur [16]) correspond au stade de déformation maximum sur l'ensemble de la chaîne.

L'avant-fosse sud-pyrénéenne constitue un système de bassins d'avant-pays [7]. Il y a migration du dépocentre, au cours du temps, du nord vers le sud. Pendant la première partie du Paléogène (Paléocène à Lutétien), les faciès sont tranchés. Au sud-ouest, l'Éocène inférieur est absent : les argiles rouges continentales et les calcaires lacustres du « Garumnien » (Maastrichtien à Paléocène [15]) sont recouverts directement par une plate-forme carbonatée marine, d'épaisseur variable d'âge Lutétien (formation Guara). Celle-ci est formée de calcaires massifs à alvéolines s'enrichissant progressivement en nummulites. Au nord, le dépocentre est approvisionné par des turbidites terrigènes épaisses (plus de 2000 m) perturbées par des arrivées de mégaturbidites carbonatées [10,13], dont la provenance est controversée, puisque, pour certains auteurs [3,12,13,21], leur origine est septentrionale, tandis que, pour d'autres [1,2,20], elle est méridionale. Les calcaires de plate-forme méridionaux et les turbidites septentrionales sont recouverts par des formations marines marneuses (formation Pampelune au nord et formation Arguis au sud) datées de la fin du Lutétien au Priabonien [19].

Les Sierras marginales se sont formées sur le chevauchement frontal sud-pyrénéen (Fig. 2A). À la terminaison occidentale, les séries sont très déformées (Fig. 2B) et souvent en position inverse [6,15,25]. Les unités de Santo Domingo nord, de Puigluza et de San Felices formaient, avant érosion et plissement, la même entité structurale : elles contiennent toutes les trois du Lias. Leur origine est à rechercher au nord de l'unité de Santo Domingo sud.

Sur le Crétacé supérieur marin (Fig. 3), les dépôts continentaux du « Garumnien » (Maastrichtien–Paléocène) s'installent. Ils ne dépassent pas la centaine de mètres le long du río Gallego. Vers le milieu de cette formation, des calcaires lacustres (5 à 10 m) s'intercalent. Stratigraphiquement au-dessus des calcaires lacustres, des microfailles normales synsédimentaires (rejets de quelques centimètres) affectent les argiles rouge vif et les grès quartzeux du « Garumnien » le long du río Gallego (unité de San Felices ; Fig. 4).

La sédimentation marine reprend au début du Lutétien (formation Guara) par des dépôts de plage (calcarénites à stratifications obliques ou entrecroisées), suivis par des calcaires massifs de plate-forme.

À la terminaison occidentale des Sierras marginales, l'épaisseur de la formation Guara est anormalement faible : son maximum (170 m) est observé le long du lac de la Peña (unité Santo Domingo nord, Fig. 2A), alors que, quelques kilomètres vers l'est, elle atteint 800 m [15]. À la sortie méridionale des Gorges du río Gallego, dans l'unité de San Felices, elle ne dépasse pas 100 m d'épaisseur et les termes de passage à la formation Arguis sont affectés par des failles normales découpant ces séries en petits horsts et grabens (Fig. 5). Le rejet de ces failles est faible (métrique à plurimétrique) et leur direction après remise à l'horizontale de la stratification (Fig. 6) est typiquement pyrénéenne (N090°E à N130°E). Le caractère synsédimentaire de cette déformation en extension est synsédimentaire, comme l'attestent des perturbations importantes au sein de la sédimentation.

En effet, dans les vingt derniers mètres de la formation Guara, à proximité des failles normales, les calcaires massifs à alvéolines et nummulites disparaissent. Ils sont remplacés par une alternance de calcaires laminés très fins, présentant des rides de courant et deux niveaux de brèches monogéniques issues d'un remaniement in situ de la plate-forme carbonatée (Fig. 3). Le passage à la formation Arguis se fait par un niveau de condensation (50 cm) riche en glauconie, oxydes de fer et tests de lamellibranches. Les brèches monogéniques se retrouvent (Fig. 2) plus au nord sur la rive gauche du lac de la Peña, à l'ouest à San Felices et au nord-ouest, dans la sierra de Santo Domingo. La première séquence bréchique atteint une dizaine de mètres d'épaisseur, alors que la seconde dépasse 40 m. Le sommet de la formation Guara est masqué par les eaux du lac. Plus à l'ouest, à San Felices, la végétation dense ne permet pas d'évaluer l'épaisseur des brèches monogéniques. Ces brèches sont visibles jusque sur la sierra de Santo Domingo. Vers l'est, les conditions d'affleurement ne permettent pas d'observer le passage latéral entre ces dépôts perturbés et la plate-forme stable.

Dans l'unité de Santo Domingo sud, la formation Guara est particulièrement réduite. À Fachar, la partie supérieure des argiles rouge vif du « Garumnien » et la formation Guara diminuent progressivement d'épaisseur en se dirigeant vers l'WNW. Les argiles « garumniennes » finissent par disparaître et la formation Guara, réduite à 1 m d'épaisseur, repose directement sur les calcaires lacustres du « Garumnien ».

Les observations à Fachar et le long du río Gallego montrent que l'épisode extensif sud-pyrénéen débute dès le Paléocène. Cette extension est antérieure aux plis synsédimentaires au N160°E qui affectent la formation Arguis (Lutétien à Priabonien), quelques kilomètres à l'est [14]. De plus, ce phénomène extensif n'est pas limité à l'extrémité occidentale des Sierras marginales. Plus à l'est, près de la localité de Roda (Fig. 1A), les grès de l'Éocène inférieur sont découpés par des failles normales de directions voisines de celles mesurées le long du río Gallego. Ici, les failles sont postérieures à la sédimentation de l'Éocène inférieur (Éocène moyen ?). À la même époque, plus au nord, des plis sur propagation de rampe se forment dans le bassin turbiditique (par exemple, [9,13]). Ils correspondent à la phase pyrénéenne paroxysmale [16].

Le développement de failles normales en contexte compressif est décrit notamment dans certains contextes : à l'extrados des anticlinaux, dans des relais transtensifs, au droit des flexures crustales des plaques subduites, ou comme étant lié à l'effondrement gravitaire des chaînes de montagnes. Cette dernière hypothèse peut être écartée immédiatement, car elle suppose un épaississement important de la croûte, ce qui n'est pas le cas de la région étudiée [4,5]. L'absence de discordance synsédimentaire dans le Paléocène–Éocène moyen empêche de considérer que les failles normales orientées N090°–130°E prennent naissance à l'extrados d'anticlinaux de même direction. L'absence de décrochements dans le secteur fonctionnant pendant la sédimentation conduit aussi à abandonner l'idée du développement de bassins transtensifs. Seule l'hypothèse de la flexure de plaque reste compatible avec les observations. La direction de cette flexure est parallèle à celle de la chaîne en formation, associée avec des failles orientées N090°–N130°E. Le jeu de ces accidents, apparaissant à l'extrados de la flexure de la plaque ibérique, (1) déstabilise la plate-forme et conduit à l'apparition de brèches dans le sédiment non induré, soit par éboulement le long des reliefs, soit par remaniement in situ (brèches), et (2) crée des pentes et donc des courants responsables du dépôt de calcaires laminés à rides de courants. Dans l'unité de Santo Domingo sud, d'origine plus méridionale, l'amincissement des séries est particulièrement important. Elle correspond à une région en relief relatif, du Paléocène au Lutétien. Deux hypothèses peuvent être envisagées : (1) cette région représente le bord méridional du bassin d'avant-pays à cette époque ; (2) l'absence de dépôts pendant l'Éocène inférieur et l'amincissement notable du Lutétien s'expliquent par la présence d'un bourrelet périphérique ( forebulge [7]), orienté en moyenne N110°E, parallèlement à la chaîne en formation. Ce bourrelet permet d'expliquer la présence d'une zone haute au niveau de la terminaison occidentale des Sierras marginales durant cette période. Au sud, l'enfouissement des séries de même âge sous plus de 4000 m d'Oligo-Miocène ne permet pas de connaître les épaisseurs et les faciès sédimentologiques de l'Éocène inférieur et moyen, dans ce qui serait alors le bassin périphérique (back bulge [7]). Dans le cas où ces dépôts seraient absents, il faudrait privilégier la première hypothèse.

Les fortes subsidences enregistrées à l'est (Arguis) et à l'ESE (sierra de Guara), annonciatrices de l'avancée vers le sud du dépocentre sud-pyrénéen, ont pu être contrariées par l'apparition de la flexure de la plaque ibérique, à la terminaison occidentale des Sierras marginales. Les failles normales, en découpant la plate-forme carbonatée sur une zone haute, faciliteraient le détachement de panneaux de plate-forme lors de l'installation postérieure du talus par avancée du bassin vers le sud. Ces observations confirmeraient donc la provenance méridionale des mégaturbidites du bassin turbiditique [1,2,20] en apportant un argument mécanique à leur désolidarisation de leur patrie d'origine.