Abridged version. 1. Introduction. 3. Structure and stratigraphy of the western foothills: is the pre-miocene basement involved?

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1 C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la Terre et des planètes / Earth and Planetary Sciences 333 (2001) Académie des sciences / Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS. Tous droits réservés S (01) /FLA Tectonique / Tectonics Le séisme du 21 septembre 1999 : influence de l héritage structural et implication du socle au front de la chaîne de Taiwan Frédéric Mouthereau a,, Jacques Angelier a, Jiang-Cheng Lee b a b Séismotectonique et tectonophysique, ESA 7072, université Paris-6, Boîte 129, 4, place Jussieu, 75252, Paris cedex 05, France Institute of Earth Sciences, Academia Sinica, P.O. Box 1-55, Nankang, Taipei, Taiwan Reçu le 13 février 2001 ; accepté le 12 juin 2001 Abstract The 21-September-1999 earthquake: structural inheritance and basement involvement at the front of the Taiwan mountain. The 21-September-1999 Chichi earthquake (M w = 7.6) occurred near the western thrust front of the Taiwan mountain belt. The characteristics of this major earthquake bring new constraints on the deep structure of the western foothills of Taiwan. Seismotectonic information is combined with subsurface data in order to establish new balanced geological sections across the thrust zone. The structural style of the Taiwan belt front is characterized by the superimposition of multiple décollements, not only in the shallow sedimentary cover but also in the basement. Interpretations of drillings and seismic-reflection data indicate that the thrust is inherited from a normal fault, reactivated and inverted when collision reached the Foothills belt. The Chelungpu Sani thrust observed at the surface is connected in depth ( 10 km) with a thrust ramp that dips 25 to the east in the basement. The tectonic history of this front thrust implies that a décollement level exists, probably located at the brittle-ductile transition in the crust, and results in decoupling of the cover and shallow basement relative to the deeper basement. Such a décollement could explain the basin inversion observed in the foreland platform. The occurrence of a thick-skinned tectonic deformation at the Taiwan belt front had been predicted by analyses of structural geology; it is now confirmed by the study of the Chichi earthquake Académie des sciences / Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS thrust front / seismotectonics / balancing / thick-skined tectonics Résumé Le séisme de Chichi du 21 septembre 1999 (M w = 7,6) est localisé à proximité du front de chevauchement occidental de l orogène de Taiwan. Les caractéristiques de ce séisme majeur révèlent la structure profonde au front de la chaîne. Les données sismotectoniques sont confrontées aux données de subsurface disponibles, afin de construire des coupes équilibrées à travers la zone chevauchante. Le style structural est caractérisé par l existence de niveaux de découplage superposés dans la couverture sédimentaire et dans le substratum. L interprétation des forages et des profils sismiques indique que le chevauchement est hérité d une faille normale, qui a été réactivée et inversée lorsque la collision a atteint la chaîne de Piedmonts. Le chevauchement majeur rejoint en profondeur ( 10 km), dans le substratum, une rampe chevauchante inclinée de 25 vers l est. L histoire tectonique de ce chevauchement actif au front de la chaîne ne peut être comprise que si l on invoque la présence d un niveau de découplage dans la croûte, probablement à la transition cassant ductile, qui permet à sa partie supérieure de se désolidariser. La présence d un tel Correspondance et tirés à part. Adresses frederic.mouthereau@lgs.jussieu.fr (F. Mouthereau), jacques.angelier@lgs.jussieu.fr (J. Angelier). 93

2 décollement rend compte de l inversion des bassins dans la plate-forme, en avant du front chevauchant. L existence d une tectonique affectant le substratum des séries sédimentaires au front de la chaîne de Taiwan, dite thick-skin, avait été décelée par l analyse structurale dans les Piedmonts occidentaux ; elle est confirmée par l étude du séisme de Chichi Académie des sciences / Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS front chevauchant / séismotectonique / équilibrage / tectonique de socle Abridged version 1. Introduction The Chichi earthquake (M w = 7.6) is the strongest earthquake ever instrumentally recorded in Taiwan. It occurred on 21 September 1999, near the western thrust front of the Taiwan mountain belt. This earthquake offers a unique opportunity to understand the structure and mechanisms of the Taiwan orogen (figure 1). The structure of the Taiwan orogen has been interpreted in terms of thin-skinned deformation hypothesis [6, 23, 24]. New studies based on seismological and geophysical data [7] led to review this model and to propose a thickskinned deformation model [25] which considers the collision and shortening in Taiwan as involving the whole lithosphere. Based on classical structural analysis, it has also been demonstrated that the basement is involved near the western thrust front and in the Chinese platform, leading to an alternative geometric and kinematic model that considered superimposed thin-skinned and thick-skinned deformation modes [19]. In this paper, taking advantage of the geometric and kinematic characteristics of the Chichi earthquake, we focus on a new structural interpretation of the foreland fold-and-thrust belt, as supported by the reconstruction of balanced cross-sections at the belt front. 2. Location and characteristics of the Chichi earthquake 94 The Taiwan orogen (figure 1) is the result of the Plio-Pleistocene oblique collision between the Luzon arc belonging to the Philippine sea plate and the Chinese continental margin belonging to the Eurasian plate [8]. The 85-km fault scarp caused by the 21-September-1999 Chichi earthquake [13, 16] extends along the Chelungpu Sani thrust, which is a major feature of the Taiwan mountain belt. Displacement across the fault reached 10 m horizontally and 6 m vertically, revealing the importance of the western boundary (see the paper by Angelier et al., this volume). The final report of the CWB locates the earthquake at depth of 8 km near the small town of Chichi. Chen and Kao [2] relocated the Chichi main shock based on the most unambiguous arrival readings and a threedimensional velocity model [21]. The best solution for the hypocenter converges to N, E, and a depth of 10 km (12 ± 5 km, see discussion by Kao and Angelier, this volume). The focal mechanisms of the main shock subevents reveals that the earthquake occurred along a thrust fault plane dipping 25 E [13]. From the structural point of view, the Chichi earthquake raised major questions that can be summarised as follows: (1) did this deep thrust take place in the basement (thickskinned deformation style) or the in cover (thin-skinned deformation style)?; (2) how is this deep thrust connected with the shallow geological structure? We attempt at solving these problems based on a compilation of available surface, subsurface and seismotectonic data that enables us to build a structural interpretation involving rigorous geometrical reconstruction of balanced cross-sections. 3. Structure and stratigraphy of the western foothills: is the pre-miocene basement involved? The sedimentary cover in the western foothills is mainly composed of Neogene deposits that can reach a maximum thickness of 6 km [8]. Seismic reflection profiles and well data indicate that the top of pre-miocene rocks is a strong seismic reflector [22]. These pre-miocene formations are thus commonly considered as the acoustic or seismic undifferentiated basement [e.g. [9]]. In addition, based on the study of outcrops and drill-holes, the top of the pre- Miocene rocks should be considered as a good proxy for the true crystalline basement [19], although these rocks also include sedimentary formations. As figures 1 and 2 show, the region of the western foothills where the Chichi earthquake occurs is characterized by a largescale curvature of the thrust front corresponding to an oblique ramp initiated above the hinge fault of the Peikang basement high, a large pre-existing normal fault zone. This example highlights the role of structural inheritance in the development of frontal folds and thrusts in this area [18]. In a more general way, the Eurasian continental margin exhibits a succession of basins and basement highs [22]. Basement promontories in the foreland, like the Peikang high, act as regional buttresses with respect to the westward migration of the collision [17]. Moreover, wells and seismic lines show the occurrence of inverted basins in the foreland south of basement highs [10]. This observation demonstrates that the basement is involved into the shortening not only in the inner parts of the belt as indicated by outcrop evidence, but also beneath, and west of, the thrust front. 4. Geometry of the Chelungpu thrust at depth Two cross-sections AA and BB have been built (figure 2), perpendicular to the front structures of the belt (fig-

3 ure 1). The geometry of the Chelungpu thrust at depth is controlled by the available wells and seismic reflection lines. The cross-sections have been balanced using the LOCACE software of the French Petroleum Institute [17] and taking into account the data of the Chinese Petroleum Corporation (CPC) [3]. The PKS-1 well cuts the frontal Changhua thrust and reaches the Mesozoic basement at a depth of m (figure 3). The isopach map of the Nanchuang formation (Middle Miocene) demonstrates that this formation thickens toward the northeast (figure 4). Moreover, the thickness of the Nanchuang formation dramatically increases in the hangingwall of the Chelungpu thrust, which concur to indicate that the development of this active thrust feature was closely related to, and inherited from, the existence of an older normal fault (figure 4). This pre-existing normal fault was reactivated and inverted during the Plio-Quaternary collision. Besides, variety of structural evidences in this region indicates that the main thrusts developed in close relationship with structural inheritance. To be geometrically consistent, the reconstruction of the balanced cross-section AA (figure 3a) required the occurrence of multiple superimposed décollement levels in the Neogene cover. The seismological evidence for the Chichi earthquake showed the presence of a thrust ramp at a depth of about 10 km in the basement. The depth distribution of the aftershocks (figure 3b) shows that the hangingwall of the Chelungpu thrust is characterized by high concentration of seismicity, especially in the Hsuehshan range. In contrast, in the western foothills, there is relatively little seismicity. We infer that the Chelungpu Sani thrust progressively flattens at depth and merges into a décollement level at depth of km characterized by low seismicity zone that is the brittle ductile transition zone. Despite large dispersion that partly results from uncertainties in earthquake depth determinations, this interpretation is consistent with the seismological data [13]. Combining seismological evidence and structural observation thus allows us to interpret the Chelungpu thrust as an inherited basement normal fault that was inverted during the collision, in relation with the activation of a deep décollement in the crust. This result strongly suggests that a thick-skinned style of deformation prevails near the thrust front of the Taiwan orogen. The section BB (figure 5) is located north of, and nearly parallel to, section AA (figure 1). This balanced crosssection allows us to constrain the 3D structure of the Chelungpu thrust system and illustrates the influence of structural inheritance at the thrust front. The shortening is mostly accommodated by thrusting and folding associated with the Chelungpu Sani thrust. The distribution of the ramps and flats of this main thrust is related to the location of the décollement levels. The section also supports the interpretation of the thrust as an inherited normal fault. At depth, the Chelungpu Sani thrust merges into a crustal décollement at the base of the brittle crust, as outlined by the distribution of earthquakes [15]. 5. Discussion and conclusion Structural observation and balancing of cross-sections demonstrate the structural control that the pre-existing structures of the Chinese margin exert on the development of frontal structures near the thrust front of the Taiwan orogen. The location and the mechanism of the Chichi earthquake were strongly influenced by both the presence of décollement levels (in the sedimentary cover and the underlying basement) and the presence of an inherited normal fault. Not only the structural pattern (figures 3 and 5), but also the distribution of sedimentary thickness (figure 4), supports the latter conclusion. The shortening was mainly accommodated by slip above a deep décollement beneath the mountain belt, probably located at the brittle-ductile transition in the crust (figure 3b). Our structural interpretation of the seismogenic structure, especially in terms of balanced cross-sections, strongly suggests that the deformation at the thrust front of the Taiwan orogen cannot be entirely explained by the classical thin-skinned model of deformation, but should also take into account the involvement of the basement as it was proposed in previous work [19], which favors a thick-skinned style of deformation. 1. Introduction Le séisme de Chichi du 21 septembre 1999 (M w = 7,6) a affecté les régions occidentales de l île de Taiwan. Ce séisme majeur permet de préciser la structure et les mécanismes de la déformation au front de l orogène de Taiwan. L épicentre du séisme est localisé dans la chaîne des Piedmonts occidentaux, à proximité du front de chevauchement (figure 1). Par analogie avec les prismes d accrétion océanique, la structure et la cinématique des Piedmonts occidentaux de Taiwan ont été classiquement interprétées en termes de modèle de déformation impliquant un décollement à la limite socle couverture, dit thin-skin [6, 23, 24]. Dans ce modèle, le raccourcissement, dans les zones externes, de l orogène est essentiellement concentré dans les couches supérieures sédimentaires de la croûte et suppose, implicitement ou explicitement, l existence d un socle sous-jacent, rigide et non déformé. Des travaux récents fondés sur les données sismologiques et gravimétriques nouvelles [7] ont conduit à remettre en question cette conception initiale, en proposant un modèle de déformation dit thick-skin, impliquant significativement le socle sous les Piedmonts occidentaux. Dans ce modèle de collision li- 95

4 Figure 1. a. Contexte géodynamique de la zone de collision de Taiwan. b. Localisation de l épicentre (étoile) et des principales répliques (cercles) du séisme de Chichi sur la carte des principales failles actives et quaternaires de Taiwan. Sh. : chevauchement de Shuangtung ; Che. : chevauchement de Chelungpu ; Cha. : chevauchement de Changhua. Figure 1. a. Geodynamic setting of the Taiwan collision zone. b. Location of the Chichi earthquake (star) and its main aftershocks (open dots), in the map of the main active and Quaternary faults of Taiwan. Sh.: Shuangtung thrust; Che.: Chelungpu thrust; Cha.: Changhua thrust. thosphérique [25], toute la croûte, voire une partie du manteau, est impliquée dans le raccourcissement, non seulement dans les zones internes de la chaîne, mais aussi dans les Piedmonts occidentaux. En fonction des observations géologiques nouvelles, l examen approfondi des relations géométriques et cinématiques entre les unités chevauchantes frontales et les structures héritées de la marge eurasiatique a conduit à nuancer ces conceptions en proposant un autre modèle, qui implique plusieurs niveaux de découplage intra-crustaux [19]. Parmi ces niveaux de décollement, certains sont superposés dans la couverture (ce sont généralement les mêmes que pour le modèle thin-skin) ; d autres sont vraisemblablement localisés vers la base de la croûte fragile (en accord avec la conception thick-skin). Cette nouvelle conception a l avantage de rendre compte de l ensemble des déformations observées, plus particulièrement de 96 l implication du socle près ou en avant du front de chevauchement, qui n avait pas été prise en compte antérieurement. Comme on le voit, ce n est pas l existence des décollements qui est en cause, mais leur nombre et leur localisation dans la croûte et les séries sédimentaires. En raison de l afflux de données sismologiques et de la place typique du séisme dans le cadre de convergence de plaques de Taiwan, l étude du séisme de Chichi est fondamentale pour la compréhension de la structure profonde des parties externes de l orogène. La présente note vise donc à replacer les caractéristiques géométriques et cinématiques du séisme de Chichi dans une interprétation structurale cohérente de la chaîne plissée d avant-pays, fondée sur l exploitation des données de subsurface et sur la construction de coupes équilibrées qui apportent de fortes contraintes dans l interprétation structurale.

5 2. Localisation et caractéristiques du séisme de Chichi L orogène de Taiwan est le résultat de la collision oblique d âge Plio-Quaternaire entre l arc volcanique de Luçon, orienté nord sud, solidaire de la plaque océanique de la mer des Philippines, et la marge continentale chinoise, appartenant à la plaque Eurasie, dont les structures majeures sont orientées à peu près ENE (figure 1). La frontière de plaques se situe donc, d après la plupart des auteurs [8], à la limite entre l arc et le continent. Un modèle récent de subduction continentale [14] propose de placer une nouvelle frontière de plaque dans la chaîne des Piedmonts de Taiwan, à proximité d une structure chevauchante majeure, dont l activité a été soulignée par le séisme de Chichi. La carte des failles actives et quaternaires (figure 1) à Taiwan montre que l activité chevauchante principale actuelle est distribuée entre les Piedmonts occidentaux de la chaîne de Taiwan et la faille de la vallée longitudinale de l Est de Taiwan, qui borde à l ouest l arc de Luçon. Ce dernier mouvement est, en vitesse moyennée, du même ordre de grandeur que celui du front de la chaîne (2 3 cm an 1 ), mais il est pour l instant principalement aséismique [1]. Cette répartition du serrage de part et d autre de la chaîne justifie le concept de double frontière à Taiwan (voir la note d Angelier et al., ce volume). Le séisme de Chichi [13, 16] est le plus important séisme enregistré à Taiwan depuis le début du siècle ; il a été suivi de nombreuses répliques de magnitude élevée (M >6) distribuées à l arrière de la rupture majeure (figure 1). L escarpement de faille induit par le séisme s étend sur 85 km le long du chevauchement de Chelungpu, orienté nord sud (figure 1). Les données géologiques et géodésiques ont montré un mouvement coséismique de nature inverse-sénestre très important : les déplacements mesurés dans la partie nord de la rupture atteignent 10 m horizontalement et 6 m verticalement et comptent parmi les plus importants observés pour des séismes récents. L ébranlement principal a tout d abord été localisé vers 10 km, puis 7 km de profondeur, à l aplomb de la petite ville de Chichi. Le rapport final du Central Weather Bureau de Taiwan localise, par recoupement entre les données issues des deux réseaux locaux de stations sismologiques, l hypocentre du séisme à une profondeur de 8 km environ, et à 10 km à l est du chevauchement de Chelungpu. Une localisation appuyée sur une analyse plus fine, fondée sur la relecture des arrivées sismiques et sur un modèle de vitesses tri-dimensionnel [21], a été effectuée plus récemment [2]. Elle montre que la meilleure solution converge vers un hypocentre localisé vers 23,86 N, 120,81 E, à une profondeur de 10 km environ. Mais l incertitude de profondeur demeure importante (12 ± 5 km) et cinq sous-événements ont été distingués (voir discussion par Kao et Angelier, ce volume). La détermination des mécanismes au foyer du séisme principal indique, de plus, que le séisme a été engendré par le glissement le long d un chevauchement incliné de 25 vers l est [13]. Cette géométrie est compatible avec la configuration des structures chevauchantes observées dans la région. En outre, le vecteur glissement du mécanisme au foyer est en bon accord géométrique et cinématique avec la compression régionale nord-ouest induite par la collision arc continent. À ce stade, plusieurs problèmes se posent en termes de relation entre la structure du front de chaîne et le séisme de Chichi : ce chevauchement majeur témoigne-t-il d un type de déformation impliquant la seule couverture sédimentaire décollée (suivant la conception thin-skin) ou bien impliquant le substratum de ces séries sédimentaires (suivant la conception thick-skin)? Comment peut-on raccorder ce chevauchement avec les structures superficielles observées à l affleurement dans les séries sédimentaires des piedmonts? Nous abordons ce problème en utilisant une approche structurale qui repose sur la construction de coupes équilibrées contraintes par les données de surface et de subsurface, complétées par les données sismotectoniques, qui renseignent non seulement sur la rhéologie, mais également sur la structure de la zone sismogénique. 3. Stratigraphie et structure des Piedmonts : le substratum pré-miocène est-il déformé? La couverture sédimentaire, dans les Piedmonts occidentaux de Taiwan (figure 2), est principalement constituée de dépôts néogènes. On distingue des sédiments pré-orogéniques de plate-forme, d âge Miocène, déposés sur la marge eurasiatique, et des sédiments détritiques syn-orogéniques, d âge Plio- Pléistocène. L épaisseur des sédiments syn-orogéniques peut atteindre plusieurs kilomètres. L épaisseur cumulée des formations néogènes dans l avant-pays occidental atteint 6 km environ [8]. Les profils de sismique réflexion et forages effectués par la compagnie pétrolière taiwanaise (CPC) dans l avant-pays précisent que le toit des séries prémiocènes est un réflecteur sismique majeur [22]. Les roches sous-jacentes sont, par conséquent, considérées dans la littérature comme le socle «acoustique» ou «sismique» des séries néogènes d avant-pays (e.g., [9]). Ce substratum pré-miocène comprend notamment des roches volcano-sédimentaires éo-oligocè- 97

6 Figure 2. Relations structurales entre l avant-pays de Taiwan et les unités chevauchantes du front des Piedmonts occidentaux. L inversion structurale des bassins tertiaires de la marge est principalement observée sur les retombées méridionales des môles de Kuanyin et de Peikang. Les segments A A et B B indiquent la localisation des coupes équilibrées des figures 3 et 5. Épicentre du séisme de Chichi indiqué par une étoile. Figure 2. Structural relationships between the foreland of the Taiwan belt and the thrust units of the front belt in the western foothills of Taiwan. The structural inversion in the Tertiary basins is mainly observed in the southern flank zones of the Kuanyin and Peikang basement highs. Segments A A and B B indicate the location of the balanced cross-sections of figures 3 and 5, respectively. Epicentre of the Chichi earthquake shown as star. 98 nes légèrement métamorphiques, peu épaisses, analogues à celles observées à l affleurement dans la Chaîne centrale (Hsuehshan Range) et solidaires des roches métamorphiques d âge Crétacé (marbres, schistes) de la marge continentale eurasiatique. De telles formations affleurent à Taiwan dans le Backbone Range de la Chaîne centrale (figure 2) ; elles constituent la partie cristalline du substratum des collines de Piedmont [19]. Dans ce cadre de séries sédimentaires et de leur substratum, la profondeur du séisme de Chichi, que les meilleures données sismologiques actuellement disponibles fixent à 12 ± 5 km [2], est à examiner avec attention. Cette profondeur conduit à envisager que le substratum pré-miocène soit impliqué dans la déformation des zones externes des Piedmonts. Le séisme de Chichi est situé dans une région où les unités chevauchantes qui composent la chaîne de Piedmonts prennent une orientation nord sud à nordnord-ouest, décrivant ainsi une courbure du front de chevauchement remarquable à l échelle de l île de Taiwan, convexe vers l avant-pays (figure 1). Cette géométrie particulière du front est liée à de la croissance d une rampe oblique, soulignée par les anticlinaux frontaux de Tatushan et de Pakuashan, orientés nord-nord-ouest [18]. Remarquablement, cette rampe chevauchante et ces plis frontaux sont situés à l aplomb d une zone de faille normale orientée nord-nord-ouest, qui borde à l est un môle de socle de l avant-pays (le môle de Peikang). Cet exemple montre donc l influence de l héritage structural, en l occurrence la présence d un môle de socle, sur la géométrie et la cinématique des unités chevauchantes au front de la chaîne. Plus généralement, la marge eurasiatique présente une géométrie irrégulière (figure 2), constituée d une succession de rentrants et de saillants liés à l existence de bassins tertiaires et de môles de socle affectant la marge chinoise [19], dont certains sont inversés. Les hauts topographiques formés par les môles de socle ont constitué de véritables freins à la migration de la déformation vers l ouest. 4. Géométrie du chevauchement de Chelungpu en profondeur Dans cette étude, deux coupes A A et B B ont été construites, perpendiculairement aux structures

7 Figure 3. a. Coupe des Piedmonts occidentaux dans la région du séisme de Chichi. Localisation sur la figure 2 (AA ). La coupe équilibrée est contrôlée en profondeur par forages et par un profil de sismique réflexion [5]. Le chevauchement de Chelungpu Sani se raccorde en profondeur sur une rampe inclinée à 25 vers l est, située dans le socle, en fonction de la localisation du séisme de Chichi [13]. b. Distribution en coupe des répliques du séisme de Chichi (ronds noirs, rayon croissant avec la magnitude), d après les données du CWB (le mécanisme au foyer du séisme principal est projeté) et principales limites structurales et rhéologiques (explications dans le texte). Figure 3. a. Cross-section of the western foothills in the Chichi earthquake area. Location in figure 2 (AA ). The balanced cross-section is controlled at depth by the drill-hole data and a seismic-reflection profile [5]. The Chelungpu Sani thrust merges at depth into a ramp that dips 25 to the east in the basement, as indicated by the Chichi earthquake location [13]. b. Distribution in cross-section of the aftershocks of the Chichi earthquake (black dots, radius increasing with magnitude), according to the CWB records (focal mechanism of the main earthquake projected in section) and main boundaries of structural and rheological nature (explanations in text). frontales des Piedmonts dans la région du séisme de Chichi (figure 2). Le choix de ces deux coupes est déterminé par les données de subsurface disponibles, qui sont des profils de sismique réflexion et des forages pétroliers effectués par la Chinese Petroleum Corporation (CPC) [3]. Il s agit de caractériser la géométrie tri-dimensionnelle du chevauchement de Chelungpu Sani. Ces coupes ont été équilibrées à l aide du logiciel Locace de l Institut français du pétrole [17]. La région du séisme de Chichi, près de la ville de Taichung, correspond à la coupe A A (figure 3a), localisée sur la figure 2. La structure est composée de trois grandes unités chevauchantes limitées par les chevauchements actifs de Shuangtung, de Changhua et de Chelungpu [3]. La coupe A A montre trois unités chevauchantes, limitées par des chevauchements de plus en plus redressés vers l est. Ces unités impliquent des séries sédimentaires de plus en plus profondes, voire le substratum ou «socle acoustique» composé à l affleurement de terrains métamorphiques (chevauchement de Shangtung). La structure du front de chevauchement à proximité de la surface est connue par sismique réflexion et par forage [5]. Cette structure frontale, représentée par l anticlinal de Pakuashan, est liée à la géométrie du chevauchement de Changhua, bien connue par sismique réflexion. Le chevauchement de Changhua 99

8 Figure 4. Carte des isopaques de la formation Nanchuang du Miocène moyen [4] dans la région du chevauchement de Chelungpu, au front de la chaîne de Taiwan. Valeurs en mètres. Figure 4. Isopach map of the Nanchuang Formation, Middle Miocene in age [4] in the Chelungpu thrust area, at the front of the Taiwan belt. Values in metres. forme une rampe chevauchante initiée à l aplomb d une faille normale héritée, qui appartient à la zone de faille bordière du môle de Peikang (figure 2). Cette rampe se raccorde à un cisaillement plat peu profond, situé dans le niveau de décollement de la formation pliocène de Cholan. Le forage PKS-1 [5] atteint le socle mésozoïque vers m de profondeur (figure 3). Il montre deux discordances importantes ; la première est située à la base des séries néogènes qui souligne le sommet du socle acoustique ; la seconde, située dans la couverture, est caractérisée par une lacune majeure de la formation Nanchuang (Miocène moyen) à proximité du môle de Peikang (figure 4). Cette dernière discordance a été interprétée comme le résultat de l érosion du bombement engendré par la flexure à grande échelle de la lithosphère [20]. La carte des épaisseurs de la formation Nanchuang, d âge Miocène moyen, a pu être réalisée (figure 4) à partir des différents forages pratiqués dans la région [4]. Cette carte montre que la formation Nanchuang s épaissit progressivement vers le nord-nord-est. La figure 4 suggère aussi que le chevauchement de Chelungpu se superpose à une limite stratigraphique majeure. En effet, au mur de ce chevauchement, la formation de Nanchuang est absente, alors qu elle atteint près de m d épaisseur au toit, dans le compartiment chevauchant. Cette discontinuité suggère fortement que le chevauchement de Chelungpu affecte le compartiment effondré d une ancienne faille normale, probablement une faille bordière du môle de Peikang héritée de la marge, réactivée puis inversée au cours de la collision plio-quaternaire. De plus, à proximité de sa terminaison nord, la trace de rupture du chevauchement de Chelungpu prend une direction est-nord-est. Le même changement de direction est observé pour d autres chevauchements actifs, tels que les chevauchements de Shuangtung et de Changhua. Les structures héritées de la marge chinoise, dont on sait que beaucoup ont généralement une direction ENE WSW, pourraient donc avoir influencé le développement et les rejeux du chevauchement de Chelungpu Sani dans sa partie nord. L étude des relations structurales entre la trace du chevauchement de Chelungpu et les formations sédimentaires adjacentes conduit à identifier un second niveau de décollement, plus profond que le premier, situé à la base de la formation Tungkeng du Miocène moyen (figure 3a). Ce niveau de découplage situé vers 5 km de profondeur se raccorde avec le chevauchement de Chelungpu. Ce décollement est également observé à l affleurement plus au nord, en relation avec l émergence du chevauchement de Sani dans le prolongement septentrional du chevauchement de Chelungpu (figure 3a). Un profil de sismique réflexion, plus au sud, semble montrer la présence d un découplage qui suivrait la base de la formation Chinshui, située au même niveau, à une profondeur d environ 5 km [12]. À l est du chevauchement de Chelungpu, la distribution des répliques du séisme de Chichi indique l existence d une surface chevauchante faiblement inclinée vers l est, s enfonçant sous la Chaîne centrale [13]. Cette répartition en coupe des répliques (M >2) est illustrée sur la figure 3b ; bien qu altérée par les fortes incertitudes sur les localisations des séismes, surtout en ce qui concerne les profondeurs des foyers, elle permet de préciser la géométrie du chevauchement en profondeur et sous les zones internes. Les limites chevauchantes majeures ont ainsi été également tracées sur la figure 3b, avec des figurés délibérément épais, afin de souligner les incertitudes de localisation en profondeur. Certaines observations sont néanmoins possibles sur cette coupe. En premier lieu, il faut noter que la sismicité souligne les contrastes de rhéologie. Par exemple, les zones dans lesquelles le socle est impliqué montrent une densité de séismes plus grande que dans la couverture sédimentaire. Tel est le cas, non seulement de la Chaîne centrale, où le substratum affleure, mais aussi, localement, du socle acoustique 100

9 Figure 5. Coupe des Piedmonts dans la région de Miaoli. Localisation sur la figure 2 (BB ). La coupe équilibrée est contrôlée en profondeur par forages et par un profil de sismique réflexion publié [11]. Figure 5. Cross-section of the western foothills in the Miaoli region. Location in figure 2 (BB ). The balanced cross-section is controlled at depth by the drill-hole data and a seismic reflection profile [11]. des séries d avant-pays au-dessous et à l ouest du chevauchement de Chelungpu. Le compartiment chevauchant est caractérisé par une forte densité de séismes sous le Hsüehshan Range, particulièrement dans les dix premiers kilomètres, alors que l activité séismique des Piedmonts occidentaux est moindre. D un point de vue structural, le chevauchement de Chelungpu Sani semble s enraciner progressivement sur un niveau de découplage situé vers km, caractérisé par une sismicité modérée (figure 3b). Ce niveau n est bien entendu pas une surface précise, mais doit posséder une certaine épaisseur ; il nous apparaît probable qu il appartienne à la transition cassant ductile de la croûte. Le nuage de répliques situé en avant du chevauchement de Chelungpu, vers 8 10 km de profondeur dans la marge chinoise, est à remarquer : il montre qu au-dessous des chevauchements frontaux, la totalité de la croûte n est pas indemne de déformation. Il faut souligner à nouveau qu il est actuellement difficile de distinguer, dans les grandes variations de profondeur des répliques sismiques, la part qui relève de la distribution et de la nature de la déformation dans la croûte (y compris la dispersion verticale réelle des foyers) et la part qui résulte simplement de l imprécision des déterminations sismologiques (dispersion apparente). Du point de vue des mécanismes au foyer, les répliques montrent un mélange de mécanismes compressifs et décrochants, généralement compatibles avec la dynamique de la collision et de mécanismes extensifs dont certains, les plus occidentaux, sont liés à la flexure de la marge (Kao et Angelier, ce volume). Nous soulignons, enfin, que la variation d épaisseur de la formation Nanchuang [4], de part et d autre du chevauchement de Chelungpu Sani (figure 5), indique l héritage d une ancienne faille normale de socle appartenant à la marge eurasiatique, réactivée et inversée au cours de la collision plio-quaternaire, à la faveur de l activation d un découplage profond. Cet ensemble de données sismotectoniques et structurales convergentes milite en faveur d un style de déformation thick-skin : elle appuie donc la remise en question du modèle antérieur, exclusivement thin-skin dans cette région. La coupe B B (figure 5) a été réalisée plus au nord que la coupe A A, dans la région de Miaoli (figure 2). Les données de sismique réflexion [11] et les forages permettent de mieux caractériser, dans la série sédimentaire, la géométrie de la portion occidentale 101

10 du segment nord du chevauchement de Chelungpu Sani. Ces données permettent aussi d apporter des arguments supplémentaires en faveur de l influence de la pré-structuration sur la géométrie et la cinématique du chevauchement. Le style de déformation apparaît significativement différent de celui observé dans la coupe précédente. Sur la coupe B B, le raccourcissement est pour l essentiel absorbé par le chevauchement de Chelungpu Sani, alors que, plus au sud, le long de la coupe A A, le même raccourcissement (10 km environ) est absorbé par trois écailles chevauchantes. La géométrie du chevauchement de Chelungpu Sani est caractérisée par une succession de rampes et de plats, dont la position est déterminée par la présence de niveaux de découplage identiques à ceux observés plus au sud. Le décollement superficiel est localisé dans la formation Tungkeng (Miocène moyen) et s enracine sans doute en profondeur dans les parties plus profondes de la croûte. Les épaisseurs des séries néogènes, plus importantes dans le compartiment soulevé que dans le compartiment chevauché, suggèrent que le chevauchement de Sani soit hérité d une faille normale. Le profil de sismique réflexion de la figure 5 montre de nombreuses failles normales, affectant non seulement le socle anté-miocène, mais aussi la couverture néogène, jusque dans la formation Cholan, d âge Pliocène. Une partie de l extension s est donc poursuivie jusqu au Pliocène et peut être interprétée en termes de flexure d avant-pays. Ces données montrent que les unités chevauchantes se mettent en place sur une marge pré-fracturée, dont la géométrie contrôle significativement le développement des structures compressives. La région de Miaoli (figure 2) est caractérisée par une inversion oblique de la marge eurasiatique au sud du môle de Kuanyin [10]. Pour absorber les déplacements dans le socle qu implique l inversion structurale qui caractérise le chevauchement de Chelungpu Sani (figure 5) ou, en mer, l inversion du bassin de Taihsi [10], il faut invoquer la présence d un découplage crustal [19]. La répartition des microséismes en profondeur [15] indique la présence d un niveau de découplage vers 10 km de profondeur, donc très probablement dans le socle. 5. Synthèse et conclusion Les observations structurales et la construction de coupes équilibrées mettent en relief l importance de l héritage structural dans la structuration de la région du séisme de Chichi, près du front de chevauchement de l orogène de Taiwan. L implication du substratum pré-miocène dans la déformation est manifeste. La combinaison des données structurales et sismologiques, en tenant compte du séisme du 21 septembre 1999, montre que l activité du chevauchement de Chelungpu Sani est le résultat de l inversion d une ancienne faille normale. Suivant notre interprétation, le déplacement chevauchant est principalement absorbé sur un niveau de découplage vraisemblablement localisé en base de croûte fragile, à proximité de la zone de transition cassant ductile. En attendant la réalisation d un profil de sismiqueréflexion profonde au front de l orogène de Taiwan, sous la zone du séisme de Chichi, l approche combinant les apports de la géologie structurale et de la sismologie constitue l outil d investigation structurale le plus puissant. Cette étude montre ainsi que l on ne peut entièrement rendre compte de la déformation au front de la chaîne de Taiwan par une déformation de couverture : il faut aussi tenir compte de l implication des niveaux plus profonds de la croûte dans la déformation. L existence d une déformation tectonique non négligeable, impliquant le substratum des séries sédimentaires, au front de la chaîne de Taiwan est soulignée par le séisme de Chichi, replacé sans son cadre structural. Cette interprétation en termes de déformation dite thick-skin, initialement proposée à l issue d une analyse structurale classique [19], semble donc corroborée par les données sismotectoniques liées au séisme du 21 septembre Remerciements. Ce travail est présenté dans le cadre de la coopération France Taiwan, soutenue conjointement par l Institut français à Taipei (IFT) et le National Science Council (NSC) de Taiwan. La recherche a été financée par l Institut français du pétrole (IFP), l Institut universitaire de France (IUF) et le NSC (pour chacun des trois auteurs, dans l ordre). Les remarques d un rapporteur anonyme ont permis d améliorer notablement le texte. Références [1] Angelier J., Chu H.-T., Lee J.-C., Hu J.-C., Active faulting and earthquake hazard: the case study of the Chihshang Faut, Taiwan, J. Geodyn. 29 (2000) [2] Chen W.-P., Kao H., The Chichi earthquake sequence of 1999: dual, out-of-sequence thrust faulting in Taiwan, in: Proc. Int. Works Ann. Comm. 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