MARGES ADEN Fiche-2014-Septembrel

Valorisation des campagnes à la mer
Navires Ifremer - IRD - IPEV
Fiche “ Valorisation des résultats des campagnes océanographiques ”
(à envoyer par courriel à [e-mail] )
Nom de la campagne : MARGES-ADEN
Projet / Programme de rattachement : Actions Marges – ANR YOCMAL et Rift 2 Ridge
Navire : BHO Beautemps-Beaupré
Engins lourds :
Dates de la campagne : 25 février – 11 Mars 2012
Nombre de jours sur zone/en transit : 12 et 2 transit
Zone(s) : Golfe d’Aden oriental
Chef de mission principal (Nom, prénom et organisme) : LEROY Sylvie
Nombre de chercheurs et d’enseignants-chercheurs (en mer / à terre) : 3 en mer 15 à terre
Nombre d’ingénieurs et de techniciens (en mer / à terre) : 1 en mer et 1 à terre
Nombre d’étudiants (en mer / à terre) : 2 en mer et 1 terre
Fiche remplie par : S. Leroy
Date de rédaction ou d’actualisation de la fiche : Sept 2014
Adresse : ISTEP – UPMC – Case 129 – 4 place Jussieu 75252 Paris Cedex 05
Email : sylvie.ler[email protected]
Tel : [phone]
Fax : [phone]
Résultats majeurs obtenus
1 à 3 pages destinées à informer un large public sur les résultats obtenus
1 – Contexte scientifique et programmatique de la campagne
Depuis la découverte de manteau continental exhumé au large de la Galice, les zones distales sont devenues le
lieu privilégié de nouvelles études sur les marges continentales et aussi l’un des rares domaines potentiels pour
l’exploration pétrolière future. Le projet que nous présentons ici concerne les mécanismes de formation des
marges continentales distales et plus particulièrement du domaine transitionnel que l’on appelle Transition
Océan-Continent (TOC).
La présence de manteau continental exhumé associé à une croûte continentale hyper-amincie a été identifiée
ensuite en de nombreux autres endroits du globe et affecterait à des degrés divers plus de 50% des marges
distales, comme celles de Terre Neuve, de l’Atlantique Central et Sud, du Sud-ouest de l’Australie ou l’ancienne
marge Téthysienne. L’exhumation de manteau apparaît donc comme un processus constitutif des marges
continentales qualifiées de « peu magmatiques ». Dans le golfe d’Aden oriental, les données géophysiques
fournissent également de sérieux arguments en faveur d’un tel mécanisme (Leroy et al, 2010 ; Fig. 2).
L’exhumation du manteau continental dans les TOC est assez similaire à ce qui est observé sur les dorsales
océaniques lentes (< 40 mm/an), où le manteau est exposé sur au moins 50% de la longueur (Cannat et al, sous
presse ; Escartin et al 2008). Les dorsales ultra-lentes présentent d’ailleurs certaines caractéristiques
géophysiques (magnétisme, vitesses sismiques), géologiques (magmatisme peu important) ou morphologiques
très similaires à celles des TOC (Sibuet et al, 2007). Les dorsales sont des systèmes géodynamiques actifs où
l’on peut donc étudier directement les processus magmatiques, tectoniques et hydrothermaux qui sont à l’origine
de ces caractéristiques. Il y a donc un intérèt à aborder l’étude des processus d’exhumation et plus généralement
de divergence des plaques aux TOC via une comparaison avec les dorsales. C’est une des approches que nous
développons dans ce projet.
Certaines caractéristiques des TOC apparaissent cependant différentes de celles des dorsales. Par exemple, la
profondeur lors de l’exhumation du manteau serait très inférieure à celle des dorsales lentes. D’autres
caractéristiques sont mal connues dans les TOC et devraient donc être étudiées de manière plus attentive. Par
exemple on connaît mal le rôle des processus hydrothermaux pour la redistribution des flux de chaleur et pour les
changements rhéologiques dans les failles de détachement des TOC, alors que l’on sait maintenant que ces
processus sont d’une importance fondamentale aux dorsales lentes (Wilcock & Delaney, 1996). Une hypothèse à
tester est par exemple que les afflux sédimentaires importants pendant la formation des TOC sont un facteur
limitant des circulations hydrothermales et donc de leurs effets sur l’état thermique et sur la rhéologie (en particulier
sur l’ampleur de la serpentinisation du manteau exhumé). Le mécanisme de formation des TOC comporte aussi
des éléments propres à l’héritage continental (structure, régime thermique) et au cadre géodynamique particulier
dans lequel se met en place le rifting.

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Le chantier Golfe d’Aden a de nombreux avantages pour l’étude de la TOC : l’océanisation y est encore récente
(environ 18 Ma), et les marges conjuguées, ainsi que le domaine océanique, peuvent être étudiés dans un
domaine de quelques centaines de km. Le chantier Golfe d’Aden s’est donc imposé comme prioritaire auprès de la
communauté française regroupée au sein d’Actions MARGES, une action coordonnée de l’INSU avec des
partenaires industriels et publiques (TOTAL, BRGM, IFP, IFREMER). Plusieurs campagnes ont été antérieurement
réalisées dans cette zone (ENCENS-SHEBA, ENCENS et ENCENS-FLUX) et ont fourni des résultats essentiels
sur lesquels se fonde le présent projet.
Un des résultats les plus inattendus
des campagnes antérieures est la
grande variabilité de structures, et
donc probablement de processus,
d’un sous-segment de la marge à un
autre (Figure 1). C’est le cas en
particulier dans la TOC qui peut
passer, en quelques dizaines de
kilomètres, d’un caractère plutôt
volcanique, à une structure qui
suggère que le manteau continental
serait exhumé et serpentinisé. Ceci
est basé sur la structure de vitesse
des ondes P dans la lithosphère
(Leroy et al., en préparation) et sur la
localisation des déformations dans le
graben le plus distal de la marge
durant les stades tardifs du rifting
(Autin et al., 2010) (Fig. 5).
Un autre caractère de cette marge
jeune est la grande stabilité des
valeurs de flux de chaleur obtenues
dans la TOC et le domaine
océanique (Lucazeau et al, en
préparation), qui peuvent s’expliquer
par la persistance d’anomalies
thermiques lithosphériques après la
rupture continentale (Lucazeau et al
2008) et par une très faible
importance des circulations
hydrothermales (à l’exception d’un
profil dans la région à l’Est de la zone
de fracture de Socotra-Hadbeen,
objet de la présente demande). La
persistance d’une activité thermique
dans le Golfe d’Aden pendant 20 Ma
environ après la fin du rifting
s’accompagne aussi d’une activité
volcanique post-rift (Fig. 5), ainsi que
de déformations verticales dans les
parties distales et proximales de la
marge.
Pourquoi proposons-nous cette
nouvelle campagne dans la partie la
plus orientale du Golfe d’Aden ?
La première raison est que cette partie orientale est la seule où l’on peut envisager aujourd’hui l’étude des parties
conjuguées de la marge.
Le programme GDR MARGES avait initialement prévu d’étudier ces marges conjuguées plus à l’Ouest, pendant la
campagne ENCENS. Mais la marge Sud à proximité des côtes somaliennes est devenue entre temps le lieu
d’attaques fréquentes des pirates. La marge Sud au niveau de l’île de Socotra, est dans l’état actuel plus sûre et
permet, moyennant une certaine logistique, d’effectuer des opérations maritimes.
Figure 1: Profils de réfraction à travers trois segments de second ordre, entre les
zones de fracture d’Alula Fartak et de Socotra Hadbeen (localisation des profils Fig. 3),
montrant les indices en structure de vitesse compatibles avec la présence de manteau
exhumé dans la marge distale et notamment sur les profils des segments de Taqah et
Mirbat et la présence d’une anomalie magnétique de faible amplitude (A6) sur ces
deux mêmes segments.

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La deuxième raison est la nature particulière du segment de marge qui va du bassin d’Owen à la zone de fracture
de Socotra-Hadbeen. Cette région pourrait marquer la transition entre un domaine rifté de nature originellement
océanique à l’Est, et le rift continental à l’Ouest (Fig. 4). La dorsale actuelle a une profondeur moyenne de 2.2 km
entre les zones de fracture de Shukra-el-Sheik et de Socotra-Hadbeen, et s’approfondit de plus d’un kilomètre en
direction de la transformante d’Owen où elle
atteint environ 3.5 km. Ceci indique probablement
que la dynamique du manteau est actuellement
différente de part et d’autre de Socotra-Hadbeen.
Si cette dynamique différente persiste depuis le
rifting, elle a pu avoir des conséquences sur la
structure des marges et de leurs parties distales.
Par ailleurs, il est possible que l’origine de cette
anomalie soit à rechercher dans un processus lié
à la transition rift intra-océanique à rift intra-
continental. Il est par exemple proposé que le
manteau sous-continental soit plus chaud du fait
de la plus faible conductivité thermique de la
croûte (Lucazeau et al in prep). Le projet que nous
proposons vise à acquérir des données permettant
de tester ces hypothèses.
Un autre aspect intéressant du domaine d’étude
proposé est que la campagne ENCENS-FLUX a
montré l’existence de circulations hydrothermales
sur un profil à l’Est de la zone de fracture de
Socotra-Hadbeen, alors que les profils à l’Ouest
de cette zone ne montrent pas de tels
indices. L’influence de l’hydrothermalisme sur
l’évolution thermique des marges distales est un
enjeu important des recherches actuelles, avec
des conséquences en particulier pour le potentiel
pétrolier.
Le domaine d’étude proposé permettra également
d’appréhender l’influence de l’héritage
lithosphérique continental sur le développement
des structures profondes du rift. En effet, le rift
s’est développé dans cette région de manière
pratiquement orthogonale à une ancienne marge
continentale d’âge Jurassique (cf §4).
Enfin, l’identification précise des anomalies
magnétiques en limite des TOC permettra de
préciser le calendrier d’ouverture du Golfe d’Aden,
et de mieux appréhender le mécanisme de sa
propagation d’Est en Ouest.
2 – Rappel des objectifs
Les objectifs de la campagne Marges Aden 1 sont de tester des hypothèses fondamentales sur la
formation des marges continentales distales et sur les processus qui conduisent à initier une dorsale
océanique. Pour réaliser ces objectifs, nous proposons de réaliser dans le secteur oriental du golfe d’Aden
une étude détaillée en mer des marges nord et sud, qui prolonge les travaux à terre, aux moyens d’outils
géophysiques performants, permettant d’obtenir une coupe complète terre-mer des marges conjuguées et
de tester les modèles déformation des marges, de la rupture continentale à l’installation de la dorsale
active, puis de son évolution.
Notre hypothèse de départ est que les processus de formation des marges continentales distales peu
magmatiques, et particulièrement l’exhumation du manteau, sont comparables à ceux des dorsales océaniques
lentes, et que les différences observées peuvent permettre de révéler, ou de mieux étudier, l’héritage des TOC
(c’est à dire par exemple un manteau sous continental plus chaud, ou des zones de faiblesse lithosphérique
préexistantes), ainsi que certains processus spécifiques (par exemple des convections mantellaires à petite
échelle, ou le rôle de la sédimentation sur le refroidissement hydrothermal et la serpentinisation).

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La situation de la zone d’étude, qui comprend à l’Est un domaine créé par rifting intra-océanique, et à l’Ouest un
domaine continental structuré perpendiculairement à la marge au Jurassique, offre de bonnes conditions pour
tester l’existence d’un manteau sous continental plus chaud, ou l’effet de zones de faiblesse lithosphérique
préexistantes
Le régime thermique des dorsales océaniques est caractérisé par un équilibre actif entre l’apport de chaleur
(essentiellement magmatique) et le refroidissement (essentiellement hydrothermal). Cet équilibre détermine
l’évolution de l’épaisseur de la lithosphère axiale (Fig 6 et Chen et Morgan, 1990). L’héritage le plus classiquement
attendu sur les TOC dans leurs premiers stades de développement (thinning phase en Fig 6), est un manteau
lithosphérique épais et probablement chimiquement différent (en moyenne plus déprimé) que l’asthénosphère
convective sous-jacente (Jordan, 1978). Ce manteau lithosphérique sous continental peut être aminci rapidement,
comme dans les modèles d’extension « depth-dependent » (Karner et al 2003, Kusznir & Karner, 2007), ou plus
lentement, avec des conséquences sur la subsidence. Il peut également être délaminé, introduisant des
hétérogénéités chimiques dans l’asthénosphère sous le rift (Müntener and Manatschal, 2006).
D’autres caractéristiques liées à l’héritage peuvent avoir un impact sur le régime thermique du domaine océanique
proche de la marge. Comme nous l’avons évoqué plus haut, le manteau sous continental peut en effet être plus
chaud. Il est également possible que la remontée asthénosphérique soit essentiellement non focalisée sous le rift
et se focalise après le début de l’activité de la nouvelle dorsale océanique, induisant un apport de magma accru
(Cannat et al., 2008; Minshull et al., 2001; stade 3 de la Fig 6). Il est également possible que des phénomènes
convectifs transitionnels générés par les gradients latéraux de températures sur les bordures des continents (Buck,
1986; Moretti and Chénet, 1987 ; Lucazeau et al 2008), soient responsables du maintien d’un régime thermique
« anormalement » chaud sur la marge distale, et dans les premiers domaines océaniques.
Les données de nature tectonique et géophysique que nous prévoyons d’acquérir complèteront les données de
flux de chaleur disponibles sur la zone et permettront d’apporter de nouvelles contraintes pour tester les
hypothèses énoncées plus haut. Une reconstruction étape par étape du golfe d’Aden oriental depuis la rupture
continentale jusqu’à la dorsale active, permettra de suivre la segmentation et l’enregistrement des changements
d’apports magmatiques tout au long de l’ouverture, grâce notamment aux cartes d’épaisseurs crustales déduites
de la gravimétrie, et aux lignes isochrones déduites des anomalies magnétiques. L’épaisseur des sédiments sera
utilisée pour la modélisation gravimétrique et de la subsidence. L’épaisseur des sédiments, ainsi que des
indications sur la structuration du socle, seront obtenues grâce à des profils de sismique réflexion rapide sur
l’ensemble du bassin et à des profils de sismique réflexion multitrace sur les marges conjuguées. Les profondeurs
moyennes de l’axe de la dorsale reconstruites pour chaque période seront interprétées en termes d’isostasie et
utilisés comme indicateurs d’apport magmatique et de température du manteau.
Ces nouvelles données permettront d’analyser l’évolution des marges conjuguées jusqu’à la rupture continentale,
et de suivre au delà l’évolution du domaine océanique, dont plusieurs caractéristiques pourront être reliées à
l’évolution thermique et chimique du manteau sub-axial depuis les premiers stades de l’océanisation. Nous
examinerons en détail la possibilité que les domaines de la TOC dont la signature sismique et tectonique suggère
la présence de manteau exhumé, corresponde, comme cela est observé aux dorsales lentes (Cannat et al., 2006),
à des domaines appauvris en magma du fait de sa focalisation vers des centres volcaniques, ou du fait du
piégeage des liquides magmatiques dans le manteau supérieur.
Les données disponibles sur les dorsales actuelles permettent de mettre en relation la morphologie du plancher
océanique (e.g. Cannat et al., 2006), et sa profondeur (Klein et Lagmuir, 1987 ; White et al., 1990), avec les
apports magmatiques, et avec la dynamique de la remontée du manteau asthénosphérique sous la dorsale. Les
différentes échelles (de la dizaine de km à plusieurs centaines de km) de variation des apports magmatiques ont
été documentées le long des dorsales, et interprétées en termes de contribution respective d’hétérogénéités de
fusion du manteau (e.g. Schilling, 1986), de focalisation du magma dans le manteau asthénosphérique (Lin et al.,
1990), ou en base de lithosphère (Magde and Sparks,1997), et de redistribution du magma le long de l’axe dans la
croûte (Smith and Cann, 1999). A partir des données bathymétriques, gravimétriques et sismiques, nous
analyserons ces différentes échelles de variation dans le domaine océanique en fonction de l’âge. Nous
analyserons toute variation de structure sismique, ou de bathymétrie, qui pourrait être leur être associée dans la
TOC adjacente.
Dans cette optique, nous voulons être sûrs d’avoir les meilleures contraintes sur l’évolution des taux d’expansion,
sur l’épaisseur de la croûte et sur sa structure, et sur la subsidence thermique. Nous prévoyons d’évaluer ces
observations en termes de thermicité, paléo-profondeur et taux de subsidence/soulèvement. Dans le même
objectif, nous avons besoin de données précises sur la déformation et sur l’histoire des mouvements verticaux
dans les marges distales et proximales, donc d’une imagerie sismique complète (profonde et plus superficielle).
Les taux de divergence des plaques pendant la formation des marges distales sont généralement mal connus (voir
Wilson et al., 2001). Les anomalies magnétiques y sont en effet mal exprimées, ou bien leur origine fait l’objet de
discussion : sont elles vraiment des anomalies magnétiques, enregistrées lors de la serpentinisation du manteau
exhumé (e.g. Sibuet et al., 2007) ? Ou sont elles liées à l’intrusion de gabbros, et donc sans signification en termes

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d’âge de leur encaissant (Russel and Whitmarsh, 2003) ?
La compréhension conventionnelle des anomalies magnétiques du plancher océanique est que leur source réside
principalement dans le niveau crustal supérieur composé de matériel volcanique effusif (Harrison, 1987). Les
études sur les dorsales lentes ont cependant également suggéré une contribution des autres lithologies, tel que les
gabbros et les péridotites serpentinisées (Pariso and Johnson, 1993; Oufi et al., 2002; Hosford et al., 2003). La
découverte récente d’un type d’accrétion non volcanique, appelé « smooth seafloor » par Cannat et al 2006, sur la
partie orientale de la dorsale Sud Ouest Indienne, assoit également cette hypothèse. Cette région de la dorsale est
caractérisée par de grandes zones de plancher océanique composées de manteau exhumé. Des anomalies
magnétiques y sont associées presque partout, même sur les domaines qui ne montrent pas de couche volcanique
crustale supérieure (Sauter et al 2008). Ces anomalies présentent cependant des intensités variables et peuvent
être modifiées par des composantes variables de magnétisation induite. Parce que les péridotites serpentinisées
ont un rapport de Kœnigsberger modéré à faible, elles sont de bons candidats pour produire cette composante de
magnétisation induite (Sauter et al., 2008). Pour interpréter les données magnétiques des TOC de la zone Aden,
nous mettrons à profit notre expérience sur la signature magnétique des domaines de manteau exhumé de la
dorsale Sud Ouest Indienne (Sauter et al., 2008), ainsi que sur les processus de serpentinisation et d’injection
magmatique associés à ces domaines.
3 – Principaux résultats obtenus (avec quelques illustrations)