Valorisation des campagnes à la mer Navires Ifremer - IRD - IPEV Fiche “ Valorisation des résultats des campagnes océanographiques ” (à envoyer par courriel à [email protected] ) 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 Zone(s) : Golfe d’Aden oriental Nombre de jours sur zone/en transit : 12 et 2 transit 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 Date de rédaction ou d’actualisation de la fiche : Sept 2014 Fiche remplie par : S. Leroy Adresse : ISTEP – UPMC – Case 129 – 4 place Jussieu 75252 Paris Cedex 05 Email : [email protected] Tel : 01 44 27 34 08 Fax : 01 44 27 49 50 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. Valorisation des campagnes à la mer Navires Ifremer - IRD - IPEV 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 ? 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. 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. Valorisation des campagnes à la mer Navires Ifremer - IRD - IPEV 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 intracontinental. 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). Valorisation des campagnes à la mer Navires Ifremer - IRD - IPEV 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 Valorisation des campagnes à la mer Navires Ifremer - IRD - IPEV 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) Valorisation des campagnes à la mer Navires Ifremer - IRD - IPEV Tableau récapitulatif Nombre 1 Publications d’articles originaux dans des revues avec comité de lecture référencées dans JCR (Journal Citation Reports ) 2 3 Publications dans d’autres revues ou ouvrages scientifiques faisant référence dans le domaine Publications électroniques sur le réseau Internet 1 4 Publications sous forme de rapports techniques 1 5 Articles dans des revues ou journaux « grand public » 6 Communications dans des colloques internationaux 2 7 Communications dans des colloques nationaux 1 8 Nouvelles espèces (animales, végétales, microorganismes) décrites 9 Rapports de contrats (Union européenne, FAO, Convention, Collectivités …) 10 Applications (essais thérapeutiques ou cliniques, AMM …) 11 Brevets 12 Publications d’atlas (cartes, photos) 13 Documents vidéo-films 14 DEA ou MASTER 2 ayant utilisé les données de la campagne 1 15 Thèses ayant utilisé les données de la campagne 2 16 Traitement des échantillons et des données Si en cours, préciser et donner les échéances Transmission au SISMER des données acquises avec les moyens communs du navire en cours/terminé 17 Année n : 0 Année n+1 : Année n+2 :1 Année n+3 : Année n+4 : Année n+5 : Année n+6 : Année n+7 : … Non/Oui (NB : cette transmission est systématique dans le cadre des navires gérés par Genavir) 18 Transmission au SISMER de données autres que celles acquises avec les moyens communs du navire Transmission à d’autres banques de données Non/Oui 19 Transmission à d’autres équipes de données ou d’échantillons Non/Oui 20 Considérez-vous la publication des résultats terminée Si en cours préciser et donner les échéances Non/Oui en cours/terminée Fournir pour chacune des rubriques en classant année par année : Rubriques 1 à 7 incluses : liste des publications et colloques avec les noms d’auteurs suivant la présentation en vigueur pour les revues scientifiques. Rubriques 8 à 13 : Liste des références des rapports, des applications, des brevets, atlas ou documents vidéo Valorisation des campagnes à la mer Navires Ifremer - IRD - IPEV Rubriques 14 et 15 : Nom et Prénom des étudiants, Laboratoire d’accueil. Sujet du DEA ou MASTER 2 ou de la thèse, Date de soutenance Rubriques 17 à 19 incluses : données transmises à des banques de données ou à des équipes auxquelles. Rubrique 20 : Si la publication des résultats n’est pas terminée, pouvez-vous donner un échéancier ? Références R1 - Références des publications d’articles originaux dans des revues avec comité de lecture référencées dans JCR (vérifier dans la base « Journal Citation Reports » via « ISI Web of Knowledge » si les revues sont bien référencées) et résumés des principales publications. (Les classer par année). 1. Abdulhakim Ahmed, Sylvie Leroy, Derek Keir, Félicie Korostelev, Khaled Khanbari, Frédérique Rolandone, Graham Stuart, Mathias Obrebski - Crustal structure of the Gulf of Aden southern margin: Evidence from receiver functions on Socotra Island (Yemen) - accepté R2 – Références des publications parues dans d’autres revues ou des ouvrages scientifiques faisant référence dans la discipline. (Les classer par année). R3 – Références des publications électroniques sur le réseau Internet. (Les classer par année). 20012http://www.insu.cnrs.fr/terre-solide/lithosphere-continentale/marges-aden-au-large-de-l-ile-de-socotra-et-du-dhofaroman R4 – Références des rapports techniques. (Les classer par année). 2012- rapport de mission R5 – Références des articles parus dans des revues ou des journaux « grand public ». (Les classer par année). R6 – Références des communications dans des colloques internationaux. (Les classer par année). 1. Leroy, S., d’Acremont E., Lucazeau F., Poort J., Ahmed A., Keir D., Stuart G. Khanbari K., Bellahsen N., Nonn C. 2013 How does continental crust thin in a young continental margin? Insights from Oman/Socotra conjugate margins in the eastern Gulf of Aden. EGU 2013, Vienna. 2. S. Leroy, Abdulhakim Ahmed, E. d’Acremont, F. Lucazeau, C. Nonn, D. Keir - 2014 - Observations on how does continental crust thin and break-up in the southern Gulf of Aden (Oman/Socotra). EGU Vienna, vol16, 9973. R7 – Références des communications dans des colloques nationaux. (Les classer par année). R8 – Références des nouvelles espèces (animales, végétales, microorganismes) décrites, lieux où sont déposés les holotypes. (Les classer par année). R9 – Références des rapports de contrats (Union européenne, FAO, Convention, Collectivités …). (Les classer par année). R10 – Liste des applications (essais thérapeutiques ou cliniques, AMM …). (Les classer par année). R11 – Références des brevets. (Les classer par année). R12 – Références des atlas (cartes, photos). (Les classer par année). . R13 – Liste des documents vidéo-films. (Les classer par année). Valorisation des campagnes à la mer Navires Ifremer - IRD - IPEV R14 – DEA ou MASTER 2 ayant utilisé les données de la campagne (Nom et Prénom de l’étudiant, Laboratoire d’accueil. Sujet du DEA ou MASTER ou de la thèse, Date de soutenance) R15 – Thèses ayant utilisé les données de la campagne (Nom et Prénom de l‘étudiant, Laboratoire d’accueil. Sujet du DEA ou MASTER ou de la thèse, Date de soutenance) Chloé Nonn, ISTEP – Les marges continentales du golfe d’Aden oriental. 2016 François Ponty, ISTEP – Dynamique post-rift d’une marge continentale jeune : exemple de Socotra. 2014 Virginie Le Gal, IFPEN - Exemples de Traçages thermiques et géochimiques des systèmes hydrothermaux syn rift: Implications pour la préservation du potentiel hydrocarbure des roches mères. 2017 R16 – Traitements des échantillons et des données en cours (types et échéances) R1, R18 et R19 – Liste des données et échantillons transmis (Préciser les destinataires, SISMER, autres banques, équipes scientifique …) SISRAP = SISMER R20 – Liste des résultats restant à publier - échéance