Les marges continentales passives
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Les marges continentales passives Synthèse Pourquoi les étudier? ETOPO 1 Isabelle Thinon Points abordés > > Qu’est-ce qu’une marge continentale Structure et architecture sédimentaire • Marges continentales passives divergentes – – • • > > > non-volcanique Volcanique Marges continentales transformantes Marges continentales obliques à hyper-obliques Sédimentation sur les marges continentales Pourquoi étudier les marges Exemples de méthodes d’investigations Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 2 Qu’est-ce qu’une marge continentale? 9 Une bordure de continent 9 Une zone de transition entre un continent, constitué de croûte continentale et une plaque océanique, constituée de croûte océanique. Les marges continentales recouvrent 11% de la surface de la Terre. 12 plaques lithosphériques* ETOPO 1 Frontière divergente Extension au niveau de la dorsale 3 frontières de plaque Æ Marges continentales passives divergentes Frontière transcurrente Glissement entre plaque le long d’un décrochement ou d’une faille transformante Frontière convergente zone de subduction Æ Marges continentales transformantes Æ Marges continentales actives * Plaque lithosphérique: Ensemble rigide formé de la croûte et de la partie superficielle du manteau supérieur comprise entre la surface et 70-150 km de profondeur. Les plaques reposent sur l’asthénosphère, un milieu solide, ductile. Elles sont délimitées par des zones actives ou limites de plaques. Actuellement, il y en a 12. Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 3 Marge continentale passive Où sont-elles ? Golfe du Lion. Source (Ifremer, SHOM) MNT (BRGM) - Océan atlantique Océan Arctique Océan Indien occidental Australie Antarctique Méditerranée occidentale : Corse, Sardaigne, Provence (golfe du Lion) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 4 Marge continentale passive divergente Golfe du Lion. Source (Ifremer, SHOM) MNT (BRGM) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 5 Marge continentale passive divergente Définitions et généralités Marge continentale passive (ou stable): - Zone de transition entre une masse continentale et la croûte océanique, qui se crée au sein de la même plaque lithosphérique. - Pas d’activité sismique et volcanique. - Lieu où la croûte continentale s’amincie (30 -> 0 km) Golfe du Lion. Source (Ifremer, SHOM) MNT (BRGM) - Induite par des contraintes de distension « lointaines » (~perpendiculaire à l’axe du rift) - Issue d’une phase de rifting qui a aboutit à la rupture lithosphérique et à l’accrétion océanique Æ formation de 2 marges continentales passives conjuguées. Tirés des cours de Barriers Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 6 Marge continentale passive divergente Définitions et généralités Morphologie - Plateau continental Bathymétrie (0 – 200 m) Pente très faible (~0.1°) Largeur (5 à 1500 km) Epaisseur crustale (~30-35 km) - Pente continentale (talus) Bathymétrie (200 – 4000 m) Pente importante (1-5°) et largeur variable (10 – 100 km) Entaillée de canyons sous-marins Lieu de l’amincissement crustal (30 à qq km) Golfe du Lion. Source (Ifremer, SHOM) MNT (BRGM) Carte bathymétrique - Glacis continental Bathymétrie (2500–5000 m) Accumulation de sédiments au pied de la pente - Plaine abyssale Bathymétrie (2500- 5000m) Lieu de la Transition Océan/Contient (TOC) Socle: croûte océanique; TOC (croûte transitionnelle); possible C.C.amincie Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 7 Marge continentale passive divergente Définitions et généralités 2 types de marges continentales passives en fonction de la quantité de sédiments déposés - Marges maigres (ex: Marge armoricaine du Golfe de Gascogne) - Marges nourries (ex: Marge du Golfe du Lion, Marge du Gabon) Marge armoricaine d’après Montadert et al. (1979) SO africaine d’après Séranne et Anka (2005) 2 types de marges continentales passives en fonction de la largeur de l’amincissement crustal - Marge étroite (< 50km): ex: Marge de Provence - Marge large (> 100km) : ex: Golfe du Lion D’après Gueguen(1990) Séminaire OSUC 05/11/2013 Reconstruction cinématique (Gueguen, 1990) Fermeture du bassin liguro-provençal I. Thinon – BRGM 8 Marge continentale passive divergente 2 types de marges continentales passives en fonction de la structure Marges continentales passives non-volcaniques Marges continentales passives volcaniques Gernigon et al. (2005) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 9 Marge continentale passive divergente non-volcanique Gernigon et al. (2005) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 10 Marge continentale passive divergente non-volcanique Structure - connaissance avant le 21ème siècle Marge continentale passive divergente: Partie distale Partie proximale - C.C. amincie, caractérisée par une succession de blocs basculés bordés par des failles normales à pendage vers l’océan. - C.O. issue d'une accrétion lente à l'axe d'une dorsale. - Transition Océan-Continent (TOC) abrupte Rebord de plateau CM16 (Montadert et De Charpal, 1979) Thinon, 1999 Thinon, 1999 Séminaire OSUC Coupe perpendiculaire à la marge des Entrées de la Manche (Golfe de Gascogne) 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 11 Marge continentale passive divergente non-volcanique Structure - connaissance début 21ème siècle Exemple: marges conjuguées Ibérie/Terre-Neuve (Atl. N) Terre-Neuve Ibérie Études géophysiques Sismique réflexion 20 km D’après Manatschal, 2010 Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 12 Marge continentale passive divergente non-volcanique Structure - connaissance en ce début de 21ème siècle Exemple: marges conjuguées Ibérie/Terre-Neuve (Atl. N) Terre-Neuve Ibérie Études géophysiques Sismique réflexion Magnétisme C.O. Zones avec anomalies magnétiques 20 km TOC C.C. Zone magnétiquement calme D’après Manatschal, 2010 Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 13 Marge continentale passive divergente non-volcanique Structure - connaissance en ce début de 21ème siècle Terre-Neuve Ibérie Études géophysiques Sismique réflexion Magnétisme Sismique réfraction 20 km Sismique réfraction Vitesse anormale: 7.3 – 7.6 km/s D’après Manatschal, 2010 Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 14 Marge continentale passive divergente non-volcanique Structure - connaissance en ce début de 21ème siècle Terre-Neuve Ibérie Études géophysiques Sismique réflexion Sismique réfraction Contrainte terrain 20 km Forages ODP Sismique réfraction D’après Manatschal, 2010 Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 15 Marge continentale passive divergente non-volcanique Structure - connaissance en ce début de 21ème siècle Terre-Neuve Ibérie Études géophysiques Sismique réflexion Magnétisme Sismique réfraction Contrainte terrain Peron-Pinvidic_2006 Forages ODP TOC Sismique réfraction D’après Manatschal, 2010 Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 16 Marge continentale passive divergente non-volcanique Structure - connaissance en ce début de 21ème siècle Qu’est ce que la Transition Océan-Continent (TOC)? 3 hypothèses émises pour définir la TOC d’une marge continentale passive non-volcanique - une croûte océanique accrétée au niveau d’une dorsale lente à très lente (Sawyer, 1994; Whitmarsh and Sawyer, 1996), - une croûte continentale étirée, amincie, découpée et intrudée par des matériaux ignés (Whitmarsh et al., 1990a; Whitmarsh and Miles, 1995; Whitmarsh and Sawyer, 1996) - un domaine d’exposition de manteau suite au fonctionnement d’une ou plusieurs structures d’extension (Beslier et al., 1996; Krawczyk et al., 1996; Pickup et al., 1996; Discovery 215 Working Group, 1998; Chian et al., 1999; Dean et al., 2000). Æ A l’heure actuelle, du point de vue géologique, les caractéristiques de la TOC se résument à « la présence d'une zone de manteau subcontinental exhumé à composition variable, recouvert localement par des allochtones d'origine continentale et par des brèches tectono-sédimentaires » D’après Peron-pinvidic- 2006 Peron-pinvidic- 2006 Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 17 Marge continentale passive divergente non-volcanique Architecture sédimentaire zone proximale La séquence sédimentaire est généralement subdivisée en trois catégories (nomenclature classique Prosser (1993)): - Les sédiments prérifts (antérift): dépôt avant toute déformation liée au rifting. Tout comme la C.C., ils sont faillés et basculés durant la phase de rifting. - Les sédiments synrifts : dépôt au cours du rifting (s.s.), pendant l’activité tectonique d’extension. Forment des éventails sédimentaires au pied de la faille bordière. - Les sédiments postrifts : premiers sédiments à se déposer sur la C.O. Ils recouvrent la marge, en lissant la topographie. Ils sont sub-horizontaux sans aucun épaississement ou convergence de réflecteurs. ! D’après Peron-pinvidic- 2006 Discordance sédimentaire du « breakup »ou post-rift = Séparation entre les sédiments pré- et synrift et les sédiments post-rift Æ Définition initiale: surface de non dépôt ou d’érosion dont le hiatus sédimentaire est significatif. Elle sépare des sédiments plus anciens de sédiments plus jeunes (Falvey, 1974; Driscoll et al., 1995), Æ Considérer comme limite temporelle et spatiale de la rupture lithosphérique (indicateur de la fin du rifting) Séminaire OSUC 05/11/2013 Exemple d’image sismique (Marge ouest-ibérique) I. Thinon – BRGM 18 Marge continentale passive divergente non-volcanique Architecture sédimentaire zone distale et TOC Nouvelles observations Æ mise en cause des concepts basés sur l’architecture sédimentaire Intervalles sédimentaires syn- et post-rifts : 9 Les « structures en éventail », interprétées comme séquence « synrift », non limitées au domaine continental, mais également observées dans la TOC et sur la croûte océanique. Æ terme utilisé = sédiments syn-tectoniques Pour une meilleure caractérisation des différentes phases de rifting, Æ distinguer les sédiments "syn-formation de la marge proximale", "syn-formation de la marge distale", "syn-basculement des blocs continentaux", syn-exhumation mantellique"… (Peron-Pinvidic, 2006) Discordance sédimentaire de breakup ou post-rift Æ « La rupture continentale n’est pas une frontière géographique donnée, mais coïncide avec la mise en place d’une large zone transitionnelle (> 160 km). » Peron-Pinvidic (2006) Æ « La discordance sédimentaire de breakup n’est pas une limite temporelle mais graduelle (marge ibérique ~ 20 Ma) » Peron-Pinvidic Peron-pinvidic- 2006 (2006) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 19 Marge continentale passive divergente non-volcanique Structure - connaissance géologique en ce début de 21ème siècle Synthèse: Leurs caractéristiques Manteau océanique Manteau enrichi Marge Iberie-Terre Neuve d’après VanAvendonk et al. (2009); Péron-Pinvidic and Manatschal (2009); Manatschal and Müntener (2009) Manteau sub-continental (hérité) 9 Peu ou pas de magmatisme. 9 Croûte océanique anormalement fine. 9 Croûte continentale amincie caractérisée par des blocs de socle, bordés de failles normales (à regard vers l’océan). 9 Partie distale caractérisée par une croûte continentale fortement amincie et une TOC 9 TOC de dimension non négligeable : à caractère ni océanique ni continental. Croûte transitionnelle avec des vitesses sismiques de propagation anormales (6.5 - 7.7 km/s). Présence de manteau serpentinisé. 9 Système sédimentaire complexe (pre-, syn- et post-rift; dépôt de type SAG) 9 Marges distales conjuguées asymétriques et complexes 9 Evolution tectonique et magmatique polyphasées ; 9 Evolution isostasique et thermique complexes Æ Nouvelles observations impliquent des changements importants dans les modèles de formation. Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 20 Marge continentale passive divergente non-volcanique Quelques exemples Marge continentale passive non-volcanique française ex: Golfe du Lion / Marge de Sardaigne Coupe schématique des marges conjuguées (Résultats de la campagne Sardinia) Coupe de vitesse de propagation [Gailler et al. (2009)] Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 21 Marge continentale passive divergente non-volcanique Quelques exemples Marge continentale passive non-volcanique française ex: Marge armoricaine (Golfe de Gascogne) Profil de sismique réflexion interprété Séminaire OSUC 05/11/2013 Thinon, 1999; Thinon et al., 2003 I. Thinon – BRGM 22 Marge continentale passive divergente non-volcanique Quelques exemples Faille de forts pendages Quand et où? Exhumation du manteau Failles de détachement au toit du socle Relations avec les processus magmatiques? Quand et comment se forment-elles? Marge fossile (Alpes) Observation des structures du rifting et leurs relations avec les sédiments D’après Manatschal, 2010 Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 23 Marge continentale passive divergente volcanique Gernigon et al. (2005) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 24 Marge continentale passive divergente volcanique Où les trouver? Germigon (2005) Marges continentales passives volcaniques font partie des grandes provinces ignées, qui se caractérisent par des emplacements massive de roches extrusives mafiques et des roches intrusives sur des périodes de temps très courtes (White & McKenzie, 1989; Menzies et al., 2002). Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 25 Marge continentale passive divergente volcanique Leur structure Coupe schématique type d’une marge volcanique Geoffroy, 2005 Lors de sa formation, activité volcanique importante dominée principalement par des magmas tholéïtiques • Croûte océanique épaisse • Grand volume de magma mis en place à la TOC durant les premiers stades d'accrétion. Æ SDR (seaward-dipping reflector) = réflecteurs sismiques inclinés vers le large (SDR océanique, externe, interne) White, 1992 Linedrawing (interprétation de profil sismique) • Traps pre-breakup • Présence de nombreux sill/dyke intrudant le bassin sédimentaire pre-breakup Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 26 Marge continentale passive divergente volcanique Leur structure Coupe schématique type d’une marge volcanique Geoffroy, 2005 C.C. amincie caractérisée par des blocs basculés le long de faille à regard vers le continent. • Les failles qui accommodent l'extension sont en partie synmagmatiques et sont associées au développement d’anticlinaux en roll-over, d’échelle crustale. Présence d’une croûte inférieure ayant des vitesses sismiques de propagation anormales (7.1-7.8 km/s), appelée LCB [lower crustal bodies] (Planke et al., 1991; Eldholm et al., 2000). • LCB souvent localisé le long de la TOC mais peut s’étendre sous la croûte continentale. Modèle de vitesse le long d’un profil perpendiculaire à la marge Absence de forte subsidence durant et après la Breakup Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 27 Marge continentale passive divergente volcanique Leur structure. Ex: marge de Norvège et du Groenland Groenland 20 km Profil de sismique réflexion, Hopper et al. (2003) 9 SDR 9 Présence d’un corps sous-plaqué de vitesse anormale (7.1-7.4 km/s) 9 Zone d’amincissement crustal étroite 50 km modèle de vitesse sismique de propagation Hopper et al. (2003) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 28 Marge continentale passive divergente volcanique Leur structure. Ex: marge de Norvège et du Groenland Vôring - Norvège Plateau de Rockall Plateau de Vöring 9 SDR 9 Présence d’un corps sous-plaqué de vitesse anormale (7.1-7.4 km/s) 9 Faille normale à regard vers le continent. 9 Sill magmatique dans le bassin sédimentaire pré-breakup 9 Zone d’amincissement crustal est large Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 29 Marge continentale passive divergente volcanique Leur structure. Ex: marge de Norvège et du Groenland Groenland Vôring - Norvège Plateau de Rockall Modèle de vitesse sismique des marges conjuguées (groenland/rockall). 9 SDR 9 Présence d’un corps sous-plaqué de vitesse anormale (7.1-7.4 km/s) 9 Failles normales à regard vers le continent 9 Marge continentale passive volcanique est asymétrique et complexe Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 30 Marge continentale passive Leur formation Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 31 Marge continentale passive Leur formation Stade initial Cause de l’amincissement lithosphérique initial = le rifting formation de rifts (fossés d’effondrement) Stade « rift »: rift actif ou passif Naissance des marges conjuguées = le drifting accrétion océanique Jeune Stade Marge passive Mature D’après M. Seranne – cours MasterI Montpellier Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 32 Marge continentale passive Leur formation : stade rift Mode d’amincissement Deux phénomènes peuvent être à l’origine de l’amincissement initial : Rifting actif ou passif (Sengor and Burke, 1978) Rifting actif : phénomène thermo- Rifting passif : phénomène dynamique mettant en mécanique mettant en jeu l’apparition d’une anomalie thermique (ex: plume mantellique ). Il est dirigé par la convection du manteau asthénosphérique chaud qui remonte sous la base de la lithosphère continentale induisant : jeu des contraintes surtout horizontales au sein de la lithosphère qui trouvent leur origine aux limites de plaque. Æ amincissement de la plaque lithosphérique Æ Bombement régional de la plaque lithosphérique Æ extension de la croûte et du manteau lithosphérique Æ amincissement important au niveau de la remontée du manteau asthénosphérique. Note : l’asthénosphère remonte de manière passive en réponse à l’amincissement de la lithosphère. D’après L. Barrier (2009) et Peron-pinvidic (2006) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 33 Marge continentale passive divergente non-volcanique Leur formation : du rift aux marges – anciens modèles Mode d’amincissement La réponse mécanique de la lithosphère aux contraintes d’extension est variable. Principalement 2 mécanismes proposés pour expliquer l’accommodation de l’extension par la lithosphère : cisaillement pur et cisaillement simple. Lieu d’amincissement max ¾ Amincissement symétrique et homogène dans toute la lithosphère Æ marges continentales passives conjuguées identiques Phase de subsidence initiale ~ simultanée de l’étirement ¾ Amincissement asymétrique dans toute la lithosphère La remontée max. du manteau lithosphérique n’est pas à l’aplomb de la zone d’amincissement max. de la croûte. Æ marges continentales passives conjuguées asymétriques ¾ Amincissement asymétrique dans la croûte et symétrique dans le manteau supérieur. La CC inférieure et le manteau se déforment ductilement. Modifié d’après Ziegler, 1994 et Barriers Æ marges continentales passives conjuguées asymétriques I. Thinon – BRGM Marge continentale passive divergente non-volcanique Leur formation : du rift aux marges – nouveaux modèles Accrétion océanique Amincissement étirement VanAvendonk et al. (2009); Péron-Pinvidic and Manatschal (2009); Manatschal and Müntener (2009) Modélisations numériques et analogiques Séminaire OSUC 05/11/2013 Kusznir & Manatschal, 2010? I. Thinon – BRGM 35 Marge continentale passive divergente volcanique Leur formation : du rift aux marges – modèles Mode actif Stade de rift Volcanisme + Trap Rupture et accrétion océanique Geoffroy, 2005 Les concepts de rifting actif sont appliqués à la formation des marges continentales passives volcaniques Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 36 Marge continentale transformante Marge continentale oblique à hyper-oblique Golfe du Lion. Source (Ifremer, SHOM) MNT (BRGM) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 37 Marge continentale transformante/oblique Généralités Mercier de Lépinay al., 2013 • 25 à 30% des marges passives sont des marges passives transformantes/obliques • Ont été très peu étudié par rapport aux marges divergentes (Loncke, 2011 d’après Patriat) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 38 Marge continentale transformante/oblique Généralités Mercier de Lépinay al., 2013 • 25 à 30% des marges passives sont des marges passives transformantes/obliques • Ont été très peu étudié par rapport aux marges divergentes •(Loncke, Regain d’intérêt 2011 d’après Patriat)ces années Æ cibles importantes pour la prospection pétrolière Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 39 Marge continentale transformante Définitions - Zone de transition entre une masse continentale et la croûte océanique, qui se crée au sein de la même plaque lithosphérique - Lieu où la croûte continentale s’amincie (30 -> 0 km) - Induit par des contraintes de distension obliques à parallèles à la limite séparant les deux masses continentales - Localisées dans le prolongement d’anciennes zones de fractures océaniques : les failles transformantes. - Liées aux spécificités et évolution des systèmes transformants et obliques Loncke (Modified from Sage et al., 1997 & 2000) Faille transformante: - une partie active (faille transformante océanique) - une partie passive (plus de mouvement décrochant) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 40 Marge continentale transformante Formation Marge divergente Marge transformante Marge transformante C.C. C.C. amincie C.O. Syn-rift Discordance post-rift Post-rift M. transformante intracontinentale M. transformante intracontinentale M. transformante active M. transformante intracontinentale M. transformante intracontinentale M. transformante intracontinentale Discordance post-transform M. transformante passive M. transformante active Discordance post-transform M. transformante passive Æ Activité tectonique décalée (Loncke, 2011 d’après Patriat) Æ polyphasée et diachrone Scrutton (1979); Mascle et Blarez (1987) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 41 Marge continentale transformante Caractéristiques 9 Pente continentale: 200 – 4000 m • Pente linéaire, étroite et raide (Marge de Ghana > 10°, peut atteindre 20 ou 30°) • Pente érosive Carte des pentes : Ex. Côte d’Ivoire –Ghana (Mercier De Lépinay) • Nombreuses instabilités gravitaires • Nombreuses sorties de fluides Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 42 Marge continentale transformante Caractéristiques - Ride marginale ou structure analogue => bordure qui piège les sédiments - Basculement tardif de la marge vers le large Moulin et al., 2010; 2012. Exemple Côte d’Ivoire -Ghana Mascle et Basile, 1998 Basile, 1990 Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 43 Marge continentale transformante Caractéristiques 9 TOC abrupte ; dénivelé important du Moho (10-12 km sur une distance de 10km) 9 Contrastes importantes entre 2 lithosphères différentes (nature, âge, épaisseur, rhéologie, Thermicité) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 44 Marge continentale oblique Marges obliques Zone de relais oblique Segments transformants au sein d’un système oblique Segmentation de la marge Zone de relais oblique Notion de rift oblique Obliquité avec la direction du rift Structures en échelon ε // u Séminaire OSUC Obliquité avec les structures de la marge Sans partitionnement ε // u 05/11/2013 Bot, Geoffroy et al., 2013 Avec partitionnement ε1≠ u I. Thinon – BRGM 45 Marge continentale oblique Ex: Golfe d’Aden Pik et al.; Bellahsen et al., Autin et al. 2013 – tectonophysics N°607 Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 46 Marge continentale oblique Ex: Golfe de Californie Marge jeune Drake, 2005 -Accrétion océanique (à partir de ~3.6 Ma (Sud)) propagation vers le nord en bassins en pull-apart délimités par des failles transformantes de grande dimension - Sur la marge Failles normales à fort pendage (N90E à N130E); Fonctionnement des failles de Tosco-Abreojos Michaud et al, 2004 Bot, Geoffroy et al., 2013 Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 47 Sédimentation des marges continentales Une marge continentale est le lieu où les sédiments transitent du continent à la plaine abyssale (d’après Kendall, 2001) Références bibliographiques: Cours de Barrier Guillocheau et al. (2003) Vail et al., 1977 Guillocheau, 1994 Nalpas, 2002 Homewood et al., 2000 Eléments de sédimentologie et de Pétrologie sédimentaire » univ. de liège http://www2.ulg.ac.be/geolsed/sedim/sedimentologie.htm Peron-pinvidic- 2006 I. Thinon – BRGM Sédimentation des marges continentales La sédimentation des marges est en grande partie influencée par des facteurs externes tels que le climat, l’érosion ou la circulation océanique. Elle est également directement sous la dépendance de la subsidence de la lithosphère et des structures tectoniques actives ou héritées. Transfert de matière et processus agissants sur une marge http://www.geosciences.univ-ennes1.fr/spip.php?article441 I. Thinon – BRGM Sédimentation des marges continentales Nature des dépôts 2 types de sédimentation: détritique / carbonatée Erosion Transfert Dépôts Sédimentation détritique Sédimentation carbonatée Issu principalement de l’érosion des continents (terrigène) et de squelettes d’organismes vivants (biodétritique). Issu de la production biologique de l'océan (plancton). Taux de sédimentation ~ 30 cm/Ka Taux de production très élevé: 1m/Ka sauf delta du Mississipi ~ 4 m/Ka) Diversité des plates-formes Diversité des plates-formes • variation des facteurs de l'environnement : la morphologie, l'hydrodynamisme, les apports, le climat, ... • variation des facteurs de l'environnement : la morphologie, l'hydrodynamisme, le chimisme (salinité, oxygénation), la pénétration de la lumière. • Mais surtout de l’accommodation d’une marge. I. Thinon – BRGM Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts carbonatées Sédimentation carbonatée sur le plateau continental On distingue: 1. Plateau continental calcaire et plateforme insulaire calcaire : Vastes zones d’accumulation de débris/squelettes calcaires d'organismes (plancton). Bahamas (Y. Arthus-Bertrand) 2. Les récifs coralliens se retrouvent sur les "Grand Trou Bleu" dans l'atoll de Belize plateaux continentaux calcaires ou les platesformes insulaires en zone tropicale. - Barrière récifale sur le rebord du plateau - Récifs insulaires ou des atolls Sédimentation au niveau de la plaine abyssale Loin du continent, particules détritiques fines et éléments planctoniques • Eléments planctoniques : débris carbonatés et siliceux. • Particules terrigènes : argiles d'origine continentale apportées en suspension par les courants océaniques et poussières transportées par les vents. Dans les hautes latitudes s'ajoutent les matériaux glaciaires apportés par les glaces flottantes et les vents « Eléments de sédimentologie et de Pétrologie sédimentaire » univ. de liège. http://www2.ulg.ac.be/geolsed/sedim/sedimentologie.htm Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 51 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts détritiques Plateau continental interne (Faible bathymétrie - bordure littorale) 9 La distribution et l’architecture des sédiments meubles sont fonctions des courants, vagues et marées du volume d’apport des sédiments. Hydrodynamisme du milieu -> Formes sédimentaires Zonation bathymétrique du plateau Rides de vagues Rides de courant 500 m 15 m 9 Zonation fonction de l’action de la marée Dunes (mégarides) • zone supratidale, au-dessus du niveau moyen de la marée haute • zone intertidale = zone de balancement des marées • zone infratidale, en-dessous du niveau des basses mers. Plans parallèles Antidunes 9 Zonation fonction de l’action de la houle 9 Zonation fonction de l’action du courant Séminaire OSUC 05/11/2013 « Eléments de sédimentologie et de Pétrologie sédimentaire » univ. de liège. http://www2.ulg.ac.be/geolsed/sedim/sedimentologie.htm I. Thinon – BRGM 52 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts détritiques Plateau continental interne (Faible bathymétrie - bordure littorale) Stratifications obliques dans un grès du Paléozoïque inférieur, Kalbarri, Australie stratifications obliques, crées par des courants de direction constante Formes sédimentaires -> Hydrodynamisme du milieu « Eléments de sédimentologie et de Pétrologie sédimentaire » univ. de liège. http://www2.ulg.ac.be/geolsed/sedim/sedimentologie.htm Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 53 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts détritiques Plateau continental interne (Faible bathymétrie - bordure littorale) La sédimentation littorale à l’approche des embouchures Proust et al. 2013 – geosciences N°17 Dynamique des côtes sableuses …. Idier et Thiébot, 2013 (Géosciences N°17) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 54 Sédimentation des marges continentales Erosion/incision Erosion et incision sur le plateau continental Présence de réseaux de vallées incisées sur le plateau au large de fleuves actuels (ex: paléo-Loire). Ces paléo-vallées sont généralement comblées par des sédiments récents. Æ Marqueurs des baisses du niveau marins successifs associés aux variations glacio-eustatiques du Quaternaire Thinon et al. 2008 Proust et al., 2010 Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 55 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts détritiques Sédimentation détritique : pente continentale/glacis/plaine abyssale Dépôts turbiditiques 1. Glissement de terrain mobilise une grande masse de sédiment: Structures de slumps (sédiment peu déstructuré) 2. Debris flow: écoulement plastique où les particules sont supportées par une matrice. • Débris de toute taille. Mal classés. 3. Ecoulement mixte: des sédiments érodés sont incorporés à la masse glissée. La densité et la vitesse augmentent; 4. Courant de turbidité se développe (fluide où les particules sont maintenues en suspension par la turbulence seule). Ils ont un grand pouvoir de déplacement (vitesse de 25 à 100 km/h f(pente); une grande extension des dépôts (> 200.000 km2); et un grand pouvoir de transport (> 200 km3 sédiment). Æ Dépôt de turbidites: dépôts dont le mode de transport est un courant de turbidité. • Sédiments plutôt fins. • Granoclassées. • Epaisseur variant de quelques cm à 1 mètre; Séminaire OSUC 05/11/2013 « Eléments de sédimentologie et de Pétrologie sédimentaire » univ. de liège. I. Thinon – BRGM 56 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts détritiques Sédimentation détritique : pente continentale/glacis/plaine abyssale Dépôts turbiditiques Classes de turbidites = f(granulométrie et éloignement par rapport à la source des sédiments) selon Shanmugam, 1997 « Eléments de sédimentologie et de Pétrologie sédimentaire » univ. de liège. séquence idéale de turbidite de moyenne densité ("séq. de Bouma"). Terme A (le + grossier) = chenaux de turbidites; Termes B-D = lobe proximal, Terme E =le lobe distal. Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 57 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts détritiques sur le plateau continental Diversité des plates-formes : • variation des facteurs de l'environnement : la morphologie, l'hydrodynamisme, les apports, le climat, ... • Mais surtout de l’accommodation d’une marge. Duvail (2008) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 58 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts sur le plateau continental L’accommodation (A) = volume disponible entre le niveau marin et le fond du bassin. Il dépend de 3 facteurs. Le flux sédimentaire (S) : quantité de sédiments déposés en fonction du temps. Le niveau eustatique ou niveau moyen des mers. Oscillations traduisent des interactions entre des phénomènes tectoniques et/ou climatiques (périodes glaciaires et interglaciaires). La subsidence, enfoncement progressif de la marge Ces trois facteurs agissent ensemble, mais c’est le facteur le plus variable (souvent le niveau eustatique) qui contrôle l’accommodation d’une marge continentale F(t) F(x,t) Plus le niveau eustatique est élevé, plus l’accommodation augmente Plus le flux est élevé, plus l’accommodation diminue F(x,t) Plus la vitesse d’enfoncement est élevée, plus l’accommodation augmente Guillocheau et al. (2003) Cours de Barrier Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 59 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts détritiques sur le plateau continental Architecture stratigraphique 9 Fonction de l’espace disponible pour l’accumulation des sédiments et du volume de ces sédiments (flux sédimentaire). 9 Il faut comparer le rapport A/S A>S Accumulation de dépôts de plus en plus près du continent; Ligne de rivage recule A=S L’espace disponible est aussitôt rempli par les sédiments. Ligne de rivage ne varie pas A<S Accumulation de dépôts en progression vers le large Ligne de rivage avance vers le bassin A=0 Le bassin se comble petit à petit. Ligne de rivage avance vers le bassin S > l’espace disponible Ligne de rivage avance vers le bassin Erosion Homewood et al. (1999) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 60 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts détritiques sur le plateau continental La notion d’accommodation est un apport majeur des concepts de 9 La stratigraphie séquentielle • Méthode pour accéder aux relations géométriques et chronologiques à l’intérieur d’ensemble sédimentaire • Développée à partir des méthodes de stratigraphie sismique et des concepts du modèle d’Exon (Vail et al. 1977) Principe: Les séries sédimentaires s’organisent en une succession logique de séquences de dépôt essentiellement contrôlées par les fluctuations du niveau relatif marin (eustatisme + tectonique). Les séquences de dépôt sont basées sur les discordances (diachrones) liées à la chute du niveau marin (disc. régressives). Entre 2 discontinuités, la sédimentation est supposée continue. • Stratigraphie génétique (Galloway, 1989, Homewood et al., 1992): Notion de séquence stratigraphique génétique définie entre 2 surfaces de transgression maximum. Les séquences de dépôt caractérisent des cycles d’avancée et de recul de la ligne de rivage. Se rapprochent des lignes temps. Séquences sismiques (Vail et al., 1977) Schématisation de concepts de la stratigraphie séquentielle http://www2.ulg.ac.be/geolsed/ sedim/compl_sedim.htm#STR ATIGRAPHIE SEQUENTIELLE Æ Le cycle de variation du niveau marin relatif peut être reconstitué par l’analyse des géométries des séquences sismiques. I. Thinon – BRGM Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts sur le plateau continental Stratigraphie séquentielle Æ Reconstitution de l’évolution des paysages passés (4D) Exemple de séquences sismiques (Brésil) Pino-Moréna, 1998 I. Thinon – BRGM Pourquoi étudier les marges continentales ? I. Thinon – BRGM Pourquoi étudier les marges ? Répondre aux besoins sociétaux Quelques exemples …. Granulats marins Zone protégée Les plateaux continentaux (domaine côtier/littoral) 9 Aménagement du littoral 9 Développement des infrastructures : tunnel sous la Manche, ponts, ports, … Géothermie 9 Ressources minérales: granulats, … Eolien 9 Energies renouvelables (éoliennes/hydroliennes/…,stockage énergétique, géothermie, ..) 9 milieu fragile • Impacts environnementaux (pollution), • zones submersibles (tsunamis, houles, tempêtes), Tunnel sous la Manche • érosion du littoral • évolution du climat (élévation du niveau marin 50cm à 1m pour 2100) Les pentes continentales Pont Port Tsunamis 9 Risques (avalanches, tsunamis) Les marges (plateau Æ domaines profonds) 9 Ressources minérales et énergétiques: Pétrole, Gaz méthane, Hydrates de gaz; nodules polymétalliques (Mg, Ni, Cu, Co), encroutement cobaltifères, ..) Plateforme pétrolière Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 64 Pourquoi étudier les marges ? Répondre aux besoins sociétaux Les ressources énergétiques fossiles Comprendre la formation des gisements de pétrole et de gaz, leur piège Comment repère t-on un gisement pétrolier potentiel ? Æ http://www.planete-energies.com/fr/les-sources-d-energie/le-petrole-et-le-gaz-3.html Plateforme pétrolière • Recherche de nouveaux sites, pièges,… • Amélioration des outils d’exploration, d’extraction, de transport, … Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 65 Pourquoi étudier les marges ? Répondre aux besoins sociétaux Les granulats marins (Augris et Simplet, 2013 Geosciences N°17) Les ressources minérales matière première pour industrie de la construction Exploration Drague aspirante Titres miniers en cours et demandés Granulats marins = sables siliceux et calcaires, et algues calcaires (maërl). • Les granulats siliceux Æ secteur du bâtiment et travaux publics (BTP). Exploitation (régie par le code minier) Impact temporaire ou permanent sur le milieu marin • Les granulats calcaires Æ agriculture (amendement des sols) et traitement des eaux. • Les réserves exploitables se limitent à ~2% du volume inventorié des ressources Quelques chiffres • Consommation de granulats (379 Mt en 2011) • Décroissance des granulats alluvionnaires (31% 2011) remplacée par les granulats concassés et recyclés. • Intérêt croissant porté aux ressources en granulats marins Æ représente 2% de la production (30milliards m3 disponibles entre 10 et 50m) • Quantité annuelle de matériaux autorisée à l’exploitation (arrêté préfectoral) en 2013 Æ 10,5 millions m3 Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 66 Pourquoi étudier les marges ? Répondre aux besoins sociétaux Les ressources minérales Subduction océanique: le type de subduction Æ détermine la nature du magma Æ typologie des gisements associés A grandes échelles, les zones à faible pendage de la plaque plongeante sous les Andes correspondent aux zones aurifères les plus fertiles. Rifting: Apport thermique et failles favorisent les minéralisations. Le rifting (Tanzanie) associé à des éruptions de laves carbonatitiques, pauvres en silice et riches en terres rares, phosphore, niobium, uranium, thorium, etc. Position et fertilité des districts aurifères en fonction de l’angle de la plaque en subduction (plan de Benioff). Billa et al. (2004). Sédimentation (géodynamique non impliquée) Roches sédimentaires d’origine chimique Ex: Formations de fer rubanées formées lors du passage du fer ferreux (soluble) à l’état ferrique (insoluble), liée à l’oxydation progressive des océans. (principaux gisements de fer d’Afrique ). Genèse et environnement de dépôt des formations de fer rubanées (BIF) Guillou-Frottier et al. -2012– Géodynamique et ressources minérales. Géosciences n°15 – Ressources minérales Séminaire OSUC 05/11/2013 PDF téléchargeable sur le site BRGM I. Thinon – BRGM 67 Pourquoi étudier les marges ? Répondre aux besoins sociétaux Les énergies marines renouvelables Les énergies marines renouvelables - EMR (De Roeck, 2013 Geosciences N°17) Diversité Exploration • Les marées o Installation dans estuaire (ex: usine marémotrice de la Rance) o PB: Forte anthropisation du milieu marin Exploitation, Installation et désinstallation Ex: parcs offshore d’éolienne • Energie hydrocinétique o Hydroliennes (hélices et turbines) dans les zones de forts courants de marée o Ex: Raz blanchard, … • La houle, les vagues (stade peu avancé) Haute technologie • L’éolien (seule exploitée de façon industrielle) o Parc éolien (100 éoliennes; 2GW + 1GW) o Fondation gravitaire ou fixée au sol o Très offshore: éoliennes flottantes Bonne connaissance géologique - Captage d’énergie - Transport - stockage • L’énergie thermique (ETM) o Pompage de l’eau de mer à grandes profondeurs (électricité ou climatisation) et en surface (chauffage urbain) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 68 Pourquoi étudier les marges ? Extension du plateau continental juridique français Le domaine maritime sous juridiction française (11 M km2) constituent la Zone Economique Exclusive (ZEE) et le plateau continental de la France Article 76 de la Convention des Nations Unies sur le droit de la mer (Montego Bay, 1982) fixe les critères qui permettent à un état côtier de revendiquer un plateau continental et d’en fixer les limites. Ces critères sont basés sur la morphologie, la bathymétrie et la géologie. Critères de sélection • à 60 milles du pied de pente ; • à une distance de 100 milles de l'isobathe 2500 m. • Epaisseur de la couverture sédimentaire (= au centième au moins de la distance entre le point considéré et le pied de pente) ; • à une distance de 350 milles des lignes de base à partir desquelles la largeur de la mer territoriale est mesurée Projet EXTRAPLAC : http://www.extraplac.fr/ Ce programme a réalisé et déposé les dossiers auprès des Nations Unies avant le 13 Mai 2009 pour être examinés par la Commission des Limites du Plateau Continental. Il devrait permettre à la France d’augmenter son domaine maritime de plus de 1.5 Million de km2 Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 69 Méthodes d’investigations • Prélèvements (nature et datation) • Carottages (roches et sédiments) • Forages •Moyens géophysiques (géométrie, propriété physique du milieu,…) • Gravimétrie/Magnétisme • Imagerie acoustique • Sismique réflexion • Sismique réfraction • Observation à terre (marges fossiles …) C. Jackson – Virtual Seismic Atlas http://see-atlas.leeds.ac.uk:8080/homePages/generic.jsp?resourceId=090000648000f239 I. Thinon – BRGM Méthodes d’investigations Acquisition de données Pourquoi-Pas? (Ifremer/SHOM) 107m Marion Dusfresne II (IPEV) - 120m 9 Navires hauturiers, côtiers TETHYSII (INSU) 25m Haliotis (Ifremer)- 10m 9 Positionnement plus précis : DGPS, GPS 9 Forte évolution des technologies d’acquisition et dans leur traitement Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 71 Méthodes d’investigations Données de base : bathymétrie (Topographie et morphologie du fond marin) Sondes hydrographiques ou Levé monofaisceau Levé multifaisceaux SMF (grand/petit-fond) + imagerie acoustique Sondes (SHOM) Guennoc et al. 2008 Bathymétrie MNT 50M Sources: sondes hydrographiques (SHOM) Séminaire OSUC 05/11/2013 Guennoc et al. 2008 Bathymétrie MNT 5M Sources: SMF petit fond Mosaïque Imagerie acoustique Sources: SMF petit fond Guennoc et al. 2008 I. Thinon – BRGM 72 Méthodes d’investigations Données de base : bathymétrie (Topographie et morphologie du fond marin) Quelques exemples Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 73 Méthodes d’investigations Données de base : bathymétrie (Topographie et morphologie du fond marin) Quelques exemples http://www.dorsetwildlifetrust.org.uk/doris_map Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 74 Méthodes d’investigations Données de base : bathymétrie (Topographie et morphologie du fond marin) Laser aéroporté (LIDAR) : Altimétrie continue terre-mer Æ Fournir un modèle altimétrique précis, continu terre-mer pour toutes les applications littorales Emprise du référentiel • terre : altitude 10 m et au moins 2 km à partir du trait de côte • mer : isobathe 10 m (étendu à 20 / 30 m dans certaines zones) Sur terre / Levé LIDAR topographique • précision verticale meilleure que 20 cm (95%) • résolution métrique • filtré du sursol Litto 3D (SHOM): Golfe du Morbihan Bathymétrie MNT 50M Sources: sondes hydrographiques (SHOM) Séminaire OSUC 05/11/2013 www.shom.fr/litto3d.htm Bathymétrie MNT 5M www.ign.fr Sources: SMF petit fond En mer/ Levé LIDAR bathymétrique • précision verticale meilleure que 50 cm (95%) • résolution 5 m I. Thinon – BRGM 75 Méthodes d’investigations Approche géophysique : imagerie acoustique Levé de sonar latéral : Æ Fournir des cartes de réflectivité acoustique du fond-marin Æ Cartographie des sédiments (structures sédimentaires, signature acoustique (faciès), zone de roches) Æ Montre parfois la structuration des zones rocheuses. Epaves et blocs rocheux (Pluquet, 2005) (Pluquet, 2005) Séminaire OSUC 05/11/2013 Structure sédimentaire + herbier (Pluquet, 2005) Structuration des micaschistes (Thinon, 2010) I. Thinon – BRGM 76 Méthodes d’investigations Approche géophysique: propriété physique du sous-sol Gravimétrie Magnétisme Æ Mesure le champ de pesanteur qui permet de déterminer des anomalies de densité dans le sous sol. Æ Mesure le champ magnétique ambiant = champ magnétique terrestre + champ magnétique généré par les roches du sous-sol (fonction susceptibilité). Æ Fournir des cartes d’anomalie gravimétrique (anomalie de Bouguer) Æ Fournir des cartes d’anomalie magnétique Thinon et al., 2010 Gailler et al., 2013 Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 77 Méthodes d’investigations Approche géophysique: Géométrie des formations du sous-sol Sismique réflexion Source Géométrie du sous-sol (2D à 3D) Flûte sismique multitrace Exemple de profil sismique réflexion haute résolution (BRGM) 2D flûte sismique multitrace (6 – 96 -…traces) Séminaire OSUC 05/11/2013 Flûte sismique monotraces 3D I. Thinon – BRGM 78 Méthodes d’investigations Approche géophysique: Géométrie des formations du sous-sol Sismique réflexion Puissance de la source utilisée est fonction de l’objet géologique à visualiser Profondeur Puissance Résolution Canon à air 80 à 210 bars Seul ou en batterie (ex: Matériel Ifremer) Compresseur (ex: matériel INSU) Boomer Seistec Sparker (étinceleur) (50 – 1000 J ; 30 – 200 brins Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 79 Méthodes d’investigations Approche géophysique: Géométrie des formations du sous-sol Imagerie de basse à très haute résolution des objets géologiques Exemple de différentes résolutions sismique Ex: Marge du Golfe du Lion 2250 m 750 m 75 m ECORS Sismique pétrolière Baie du Mont St-Michel Sismique Haute résolution BRGM-Univ. Montpellier (2008) 7.5 m Séminaire OSUC Sismique Très Haute résolution Univ. Caen – Tessier B. 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 80 Méthodes d’investigations Approche géophysique: Géométrie des formations du sous-sol Traitement Profil de sismique réflexion Boomer traité (BRGM, I. Thinon) Adaptation filtre de Houle sousSU (Mary & Chaumillon, 2004) ~7m Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 81 Méthodes d’investigations Approche géophysique: Géométrie des formations du sous-sol Interprétation Duvail (2008) Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 82 Méthodes d’investigations Approche géophysique: sismique réfraction Loi de vitesse de propagation sismique Modèle de vitesse sismique le long d’un profil Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 83 Méthodes d’investigations Approche géologique: contrôle terrain Photos-vidéos Prélèvements bennes Carottier à sédiments (INSU) ~ 3-5 m Carottier à roche Photo I. Thinon BRGM Séminaire OSUC 05/11/2013 I. Thinon – BRGM 84 Méthodes d’investigations Approche géologique: contrôle terrain Sous-marins ou engins ROV Forages (IODP, DSDP, ODP, pétroliers) Photo Ifremer Carottier géant à sédiment < 60 m de long ; z < 5000m Le Calypso (Marion Dufresne II, IPEV) Photo I. Thinon BRGM Séminaire OSUC 05/11/2013 Photo WEB I. Thinon – BRGM 85 Merci pour votre attention [email protected] I. Thinon – BRGM
