ii.1 rapport scientifique - Perso-sdt

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Partie II.1 RAPPORT SCIENTIFIQUE
II.1 RAPPORT SCIENTIFIQUE ................................................................................. 34
Les processus dans la croûte et le manteau ................................................................................................... 34
Accrétion océanique ..................................................................................................................................... 34
Structure profonde des dorsales et du manteau océanique ....................................................................... 34
Dynamique superficielle des dorsales ...................................................................................................... 35
Les dorsales, reflet de la structure thermique et chimique du manteau ................................................... 41
Asthénosphère et interactions lithosphère/asthénosphère en domaine océanique ........................................ 45
Interactions points chauds/dorsales (influence des points chauds sur l'accrétion actuelle) ...................... 45
Interactions lithosphère-asthénosphère .................................................................................................... 50
Conclusions ............................................................................................................................................. 54
Recyclage de la lithosphère océanique dans les zones de convergence ........................................................ 55
Structure thermique des zones de subduction .......................................................................................... 55
Magmatisme des zones de subduction « chaudes » ................................................................................. 55
Magmatisme post-collisionnel ................................................................................................................. 56
La cinématique des microplaques de l'Est Indonésien ............................................................................. 57
Limites stables des domaines océaniques: de l'ouverture aux bassins ........................................................ 57
Les marges passives ..................................................................................................................................... 57
La riftogénèse et la naissance des marges: Le chantier Maroc ................................................................ 57
Marges volcaniques ................................................................................................................................. 58
Approche méthodologique: utilisation de la magnétotellurique en domaines de marge .......................... 59
Les rifts continentaux ................................................................................................................................... 59
L’extrémité Nord du Rift kenyan : La Dépression du Turkana ............................................................... 60
L’extrémité sud du rift kenyan : le secteur Magadi-Natron et la Divergence Nord Tanzanienne ............ 61
Rift continental à l’avant d’un propagateur océanique : le Bassin de Woodlark ..................................... 62
Rift Karoo du Botswana .......................................................................................................................... 62
Rifts anciens et extension post-orogénique .............................................................................................. 63
Marges anciennes et paléo-bassins océaniques ............................................................................................ 63
Thématique .............................................................................................................................................. 64
Bilan des recherches ................................................................................................................................ 64

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II.1 RAPPORT SCIENTIFIQUE
Les processus dans la croûte et le manteau
Accrétion océanique
Personnel impliqué: Claire Bassoullet, Hervé Bellon, Mathieu Benoît, Marcel Bohn, Martial
Caroff, Jo Cotten, Laure Dosso, Jérôme Dyment, Jean Francheteau, Pascal
Gente, Jean Goslin, Christophe Hémond, Thierry Juteau, Marcia Maia, Alain
Piqué, Jean-Claude Phillipet, Jean-Yves Royer, Pascal Tarits, Chantal
Tisseau, Jean-Louis Thirot
Doctorants: Angelina Blais (en cours), Sébastien Gac, Erwan Garel, Naphsica
Grammatica, Gilles Jacovetti, Esthèle Maina (en cours), Morgane Ravilly,
Remy Thibaud, Yvan Vlastelic
Post-doctorants : Anil Chaubey, Veronika Varfalvy
Collaborations : IPGP, LSCE Gif, Univ. Paris 6, Univ. Rennes 1, OMP Toulouse, IRD,
DROGM Ifremer, Geol. Survey of Iran, Energie et Mines Oman, Univ. Laval
(Québec), Univ. Tokyo, Inst. Ocean. Goa, SIO, WHOI, Lamont.
Structure profonde des dorsales et du manteau océanique
La structure sismique du manteau supérieur sous les centres d'expansion
Les modèles tomographiques globaux ou régionaux du manteau supérieur, même les plus
récents, possèdent une résolution horizontale, quelques centaines de kilomètres pour les
modèles régionaux à 1000-2000 km pour les modèles globaux, très insuffisante pour pouvoir
être confrontés aux résultats des synthèses structurales à l’échelle d’un ou plusieurs segments
d’accrétion. Par exemple, aucun de ces modèles ne permet de préciser la structure thermique
des 200 premiers kilomètres du manteau sous les domaines axiaux des centres d'expansion
actifs ou de préciser la géométrie des têtes de panaches lorsque ceux-ci interagissent avec les
dorsales (ainsi, plusieurs panaches de dimensions horizontales réduites existent-ils au nord
des Açores ou s'agit-il d'un seul panache dont les manifestations en surface dépendent des
hétérogénéités de la lithosphère (Benoit et al., soumis 2002)? Pour tenter de répondre à ce
type de questions, des modèles d'anomalies de vitesses sismiques d'ondes P pour le manteau
supérieur sous la région axiale des dorsales, possédant une résolution suffisante, sont
indispensables.
Nos travaux pour obtenir un premier modèle de ce type, (par inversion des anomalies de
temps de trajet des ondes de volume, engendrées par les séismes se produisant à l’axe, et
enregistrées par des stations distantes) ont débuté en 2001. Le chantier choisi pour ces
premiers travaux est le bombement des Açores au sens large. Une technique nouvelle de
pointé des ondes P utilisant la transformée en ondelettes a été développée et validée sur un
nombre très restreint de trajets (Kielius, 2000, DEA). Le travail, débuté au cours de l'année
2001, est en cours et se poursuivra au cours de l’hiver 2002-2003 : la méthode utilisée
nécessite en effet un pointé fiable de l’onde P sur un très grand nombre de sismogrammes
(15000 trajets environ !), ainsi qu’une évaluation précise de l’erreur commise sur ce pointé.
Imagerie magnétotellurique d'une dorsale ultra-rapide: MELT
Les techniques de sondages magnétotelluriques et de sondages magnétiques fond de mer

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sont utilisées pour déterminer la structure en conductivité électrique du manteau supérieur
océanique. Ces techniques sont basées sur l'étude de la réponse du sous-sol électriquement
conducteurs, aux fluctuations naturelles des champs électriques et magnétiques d'origine
exosphériques. Ces fluctuations électromagnétiques, de périodes allant de quelques minutes à
quelques jours, sont enregistrées à l'aide d'instruments autonomes posés sur le fond marin. .
Nous avons participé à l’élaboration puis le déroulement d’un projet international d'étude
de la structure profonde de la ride Pacifique Est entre 16 et 17 degrés Sud, l'expérience MELT
(Mantle ELectromagnetic-seismic Tomography). Les stations sismologiques fond de mer (au
total 50, appartenants aux grandes institutions océanographiques américaines ; SIO, WHOI,
Lamont, Corvalis, Providence) ont été récupérées en juin 1996 alors que les instruments de
magnétotelluriques fond de mer (37 stations, américaines, françaises, japonaises et
australiennes) étaient installés à la même époque pour un an. Plusieurs informations
fondamentales ont pu être obtenues à partir de l'analyse des données MT: tout d'abord une
forte dissymétrie du manteau de par et d'autre de la dorsale jusqu'à près de 200 km de
profondeur sur le segment enrichi, dissymétrie qui s'atténue fortement vers le nord au niveau
du segment appauvri; ensuite, la structure électrique anormalement conductrice suggère la
présence de début de fusion à 150 km, voire plus. La comparaison avec les anomalies de
géoïde montre une très bonne corrélation entre structure électrique et gravimétrie. Par contre,
la comparaison avec les images sismiques montre un ensemble complexe de similarités et de
différences qu'il s'agit maintenant d'interpréter dès que les sismologues américains auront
obtenu un modèle qui les satisfasse tout à fait.
Structure électrique globale du manteau océanique
L'approche globale de l'imagerie électromagnétique n’était possible jusqu'à présent qu'à
partir de données des observatoires magnétiques. Leur répartition essentiellement continentale
ne permet pas d'étudier le manteau océanique. L'avènement de plusieurs missions
magnétiques par satellite offre maintenant une opportunité exceptionnelle de compenser la
distribution des observatoires magnétiques par une couverture globale et quasi continue dans
temps depuis 1999 grâce aux satellites OERSTED, SAC-C et CHAMP. Nos première études
théoriques montrent que des structures océaniques majeures comme les dorsales ont une
signature électromagnétique à l'altitude des satellites.
Nous travaillons activement sur les données brutes afin de développer une technique
d’extraction du signal d’induction dans les données magnétiques. L’objectif est de disposer
d’une couverture dense de données électromagnétique basse fréquences (les seules
disponibles par satellite) afin de réaliser une tomographie électromagnétique haute résolution
du manteau supérieur océanique. Au stade actuel, nous avons démontré sur les données
OERSTED que l'approche théorique choisie était fonctionnelle.
L'approche complémentaire destinée à compenser la distribution des observatoires
géophysiques à la surface de la Terre est de mettre en place des observatoires sous-marins..
Notre laboratoire est partie prenante (avec notamment l’IPGP) dans un programme
international: ION (International Oceanographic Network) de développement de stations
sous-marines ayant une qualité identique aux observatoires terrestres. pour les aspects
mesures magnétiques et électriques. Nous sommes responsable pour la partie observatoire
magnétique. L'observatoire est en cours de réalisation et sera testé dans le Pacifique Nord en
2003.
Dynamique superficielle des dorsales
Les dorsales en contexte de manteau superficiel chaud: la Dorsale Est-pacifique

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(EPR) et les dorsales des bassins arrière-arc de l'Ouest Pacifique
L'axe de la dorsale rapide EPR est un dôme entaillé, sur une partie de la longueur de l'EPR,
par un fossé axial de 500m de profondeur maximale. Nous avons montré à l'aide de
modélisation analogique et de traitement de données bathymétriques et sismiques et
d'observations en submersible que ce fossé n'est pas créé par extension tectonique à l'axe. Il
doit être considéré comme une caldera allongée au-dessus de la lentille magmatique
sommitale. Il est systématiquement et exclusivement associé aux segments à forte production
magmatique et son développement traduit la présence d'une lentille magmatique en position
superficielle. Les travaux d'Erwan Garel (thèse Déc. 2001) montrent en revanche que
l'extension axiale est seule responsable de la création de véritables grabens tectoniques situés
de part et d'autre du dôme axial. Ce résultat permet d'expliquer comment naissent, à proximité
de l'axe, les collines abyssales, structures représentant une grande part de la fabrique du fond
de l'océan Pacifique.
La campagne ALAUFI (co-chefs Bernard Pelletier IRD et Yves Lagabrielle) préparée
conjointement par l'UMR 6538 et par l'IRD a permis d'impliquer un structuraliste (E. Garel) et
un géochimiste de Brest (M. Benoît) dans les recherches sur les bassins arrière-arcs. Au cours
de cette campagne, le problème de la position de l’île de Futuna au sein du système de
frontière entre les plaques Pacifique et Australienne a été résolu. Nous avons montré que l'île
est découpée par une branche active d'un décrochement qui se raccorde à la dorsale de Futuna,
structure de 200 km de long découverte durant la campagne. Le contexte tectonique de toute
la région est enfin précisé, ce qui permet de comprendre les causes des séismes destructeurs
compressifs-décrochants qui secouent l'île régulièrement (Pelletier et al., 2001; Garel et al., en
cours de révision pour re-soumission à JGR. La dorsale de Futuna présente d'autre part des
structures très atypiques; elle est construite localement par un empilement de volcans
extrêmement nombreux (thèse Garel, 2001). Ceci semble confirmer l'hypothèse émise déjà en
1997 d'une forte interaction panache-dorsales dans toute la région (Lagabrielle et al., 1997).
L'origine de la segmentation d'une dorsale lente et le comportement de l'accrétion
dans un bassin jeune
La segmentation des dorsales océaniques à différentes longueurs d'onde a-t-elle son origine
lors des stades d'ouverture d'un océan ou apparaît-elle lorsque celui-ci est déjà relativement
mature ? Dans ce dernier cas, quelle est la durée de la période à l'issue de laquelle une dorsale
acquiert une segmentation comparable à celle des dorsales des grands océans, en terme de
longueur, caractéristiques structurales, crustales, etc.… ?
Pour tenter de répondre à ces questions, une campagne à la mer (projet ENCENS-SHEBA,
co-chefs de mission P. Gente et S. Leroy) a été réalisée en juin-juillet 2000 sur la dorsale de
Sheba à la sortie du Golfe d'Aden, dorsale qui fonctionne depuis environ 17 Ma. Ce site est
assez unique dans le monde: d'une part, c'est le seul océan suffisamment jeune pour qu'il soit
possible, de lever en une seule campagne, et sur une distance assez longue, la zone entre la
marge - du Yemen - et la dorsale; d'autre part, la dorsale y est suffisamment bien exprimée
pour avoir pu acquérir une segmentation indépendante de la géométrie de la cassure initiale.
Les premiers résultats montrent que la structure crustale héritée au moment de l’ouverture
océanique reste remarquablement constante. Les anomalies de Bouguer réduites au manteau
montrent une série de bandes sub-parallèles s’étirant entre la dorsale et la marge sur les deux
flancs de la ride. Elles traduisent les variations dans l’épaisseur de la croûte liées à la
segmentation et sont bien corrélées aux segments observés actuellement à l’axe de la dorsale
de Sheba. La segmentation de la croûte océanique résulte donc assez directement de celle de
la cassure continentale.

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Sur un autre chantier, le travail de thèse de E. Alves a montré que la structure de la marge
continentale brésilienne était segmentée par la présence de grandes failles transformantes (Rio
Grande, Rio de Janeiro, Martins Vaz). Cette segmentation de la marge, créée au moment du
rifting, se traduit par la présence d’alignements volcaniques associés à des structures
tectoniques majeures (alto de Cabo Frio, par exemple, dans la continuité de la zone de fracture
de Rio de Janeiro). Cette segmentation perdure ensuite dans la mise en place de la croûte
océanique sur une très longue période.
Magmatisme et déformations à l'axe des dorsales lentes
Les résultats obtenus à partir des synthèses bathymétriques
La variation de l'état thermique des segments d'accrétion et la focalisation de la mise en
place de la lithosphère des dorsales lentes ont des conséquences importantes sur le volcanisme
et la tectonique observables en surface. A partir de l'étude systématique d'un grand nombre de
segments, nous avons pu montrer que l'activité volcanique s'exprime de manière différente
d'un segment à l'autre, et même au sein d'un même segment, l'état thermique jouant un rôle
important dans l'apport de magma et les températures d'émission des laves (thèse Thibaud;
Thibaud et al., 1998, 1999).
Les segments chauds possèdent des rides volcaniques importantes et de grandes zones
plates sur lesquelles des laves plus fluides comme des lacs de lave peuvent prendre place. La
géométrie et la symétrie des grandes rides volcaniques de part et d'autre de l'axe sur ce type de
segment montrent qu'elles ont une origine issue d'un cycle magmato-tectonique. Par contre,
sur les segments froids, l'activité magmatique étant très réduite, les petits reliefs volcaniques
formés (volcans ou monts du type de ceux observés dans la zone FAMOUS) sont rapidement
partiellement ou totalement détruits. Les reliefs hors axes sont alors principalement issues de
phénomènes tectoniques.
La focalisation de l'accrétion au centre d'un segment provoque un approfondissement des
isothermes du centre vers les extrémités. Dans ces zones, le volcanisme s'exprime sous la
forme d'édifices circulaires isolés, formés exclusivement de laves en coussins, et répartis sur
une grande partie du plancher interne. Au centre des segments, au contraire, le volcanisme est
plus focalisé, plus chaud et distribué de façon relativement régulière le long de l'axe. Ces
variations sont fonction de la profondeur des réservoirs magmatiques, de leur taille et de la
température du magma émis.
En ce qui concerne les structures d'origine tectonique, la dimension et la répartition des
escarpements majeurs ainsi que la profondeur et la largeur des vallées axiales changent de
façon importante entre le centre les extrémités de segments chauds, cette variation étant
moindre pour les segments plus froids. Une vallée axiale étroite et relativement profonde
formée par quelques grands escarpements, caractérise les centres de segment chauds. Les
extrémités de segments possèdent des vallées larges, peu profondes, formées par de nombreux
escarpements à faible rejet.
La segmentation magnétique des dorsales lentes
Dans le cadre du doctorat de Morgane Ravilly (Ravilly et al., 1998; Ravilly, 1999), nous
avons utilisé une compilation des données magnétiques de surface le long de la dorsale
médio-Atlantique entre 20 et 40°N pour montrer que l'amplitude et la forme de l'anomalie
magnétique axiale varie systématiquement entre le centre et les extrémités des segments.
Le segment de la dorsale médio-Atlantique situé à 21°40'N a fait l'objet d'une analyse
détaillée lors de la campagne Tammar en 1996. Les données magnétiques de fond acquises
par un magnétomètre fixé au Nautile permettent de déterminer une aimantation absolue de la