Document réalisé suite à l`atelier sur le chantier Antilles de

CNRS
INSU
L'ARC DES PETITES ANTILLES
Un grand projet fédérateur d'étude d'une zone de convergence de plaques
Approches géodynamique, tectonique, magmatologique, volcanologique et
environnementale.
L'arc des petites Antilles est une zone de convergence de plaques. La convergence des
plaques nord et sud américaines avec la plaque Caraïbe se déroule à une vitesse
relative de l'ordre de 2 cm/an. Ce mouvement est absorbé par une subduction sous la
plaque Caraïbe au niveau de l'arc et par des décrochements au nord et au sud. Ces
phénomènes géodynamiques génèrent de la déformation, des séismes et du
volcanisme.
Le phénomène de la subduction est à l'origine de processus complexes de transfert et
de transformation des matériaux terrestres. Ces phénomènes géologiques ont des
interactions avec l'environnement au travers du volcanisme, de la sismicité, de
l'érosion et des flux de fluides, de sédiments et de chaleur. Pour ces raisons, l'étude de
l'arc des Antilles revêt une grande importance
L'ambition de ce projet est de focaliser les efforts d'une large communauté scientifique
afin d'acquérir de nouvelles connaissances sur le fonctionnement de l'arc des Antilles à
diverses échelles de temps et d'espace. Les retombées d'une telle action concertée
intéresseront à la fois la recherche fondamentale, la gestion des risques naturels et le
développement des Antilles.
Un atelier a été organisé au CNRS en septembre 2003 pour faire le point sur les
connaissances actuelles et définir des actions prioritaires à mener aux Antilles. Ce
document est basé sur les exposés et discussions de cet atelier.
I
CNRS
INSU
Sismicité, structure sismique, tectonique, aléas et risques
Thèmes scientifiques proposés
Histoire de la subduction et héritage structural
La subduction des Antilles se trouve
dans un contexte spécifique héritée de
son histoire géologique, sur la bordure
orientale du plateau océanique Caraïbe
d’âge Crétacé. La plaque Caraïbe a été
affectée par une zone d’expansion
arrière arc qui a fonctionné jusqu’à 50
Ma. Les décrochements aux limites nord
et sud de la plaque Caraïbe, hérités de
l’histoire précoce de la subduction,
contrôlent en partie le champ de
déformation actuel. Ils doivent donc être
pris en compte dans sa caractérisation. L’édification progressive de l’arc est aussi un
point clef qui doit être éclairci dans le cadre de l’histoire de la subduction des Antilles.
Le champ de déformation actuel
La caractérisation du champ de
déformation ne peut se faire qu’à
l’échelle de l’ensemble de la
subduction
des
Antilles,
en
particulier la partition de la
déformation entre la subduction
sous l’arc des Antilles et les
déplacements
aux
limites
décrochantes nord et sud doit être
précisée.
Il
existe
peu
de
travaux
géodésiques dans la zone des
petites Antilles (quelques stations
dans les Antilles Françaises) mais
plusieurs projets sont conduits sur les bordures nord et sud de l’arc où se concentre la
déformation. Bien que les mouvements
soient relativement faibles, une approche
par géodésie sous-marine pourrait être
envisageable dans le futur.
L’étude des mouvements verticaux pourrait
être abordé par la cartographie et la
datation des terrasses coralliennes comme
cela a été réalisé dans d’autres arcs
insulaires (par exemple le Vanuatu dans le
sud-ouest Pacifique) et par la datation des
cendres volcaniques interstratifiées dans
les sédiments. Un des enjeux scientifiques
importants est de corréler ces mouvements
II
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verticaux avec la déformation de la marge chevauchante
lors de la phase intersismique.
L'étude de la tectonique de l’arc et de sa segmentation,
déjà abordées lors de projets récents, pourraient être
complétés par une cartographie des zones les moins
profondes autour des îles (0-1000 m) qui a aussi un
intérêt important pour la quantification des aléas
gravitaires et tsunamis.
La sismogénèse superficielle et intermédiaire
La sismicité de la subduction des Antilles bien que
relativement faible présente quelques séismes majeurs
(comme le séisme réputé interplaque de 1843) ayant eu
des effets destructeurs. La répartition de la sismicité est
très marquée par la topographie de la plaque plongeante
(rides de Tiburon, Barracuda,…).
Une campagne sismique (réflexion et réfraction) et de
sismologie terre/mer a été conduite en Janvier 2002 sur la zone avant-arc. Les
premiers résultats illustrent la topographie accidentée du toit de la plaque plongeante
qui entre en subduction. Lors de cette campagne la pertinence d’un réseau temporaire
dense de sismomètres à terre et en mer (OBS) pour localiser la sismicité de manière
précise et obtenir des images grâce à la réalisation de fonctions récepteurs, utilisant
des séismes locaux ou plus lointains, a été
prouvée. Des opérations récurrentes de ce type
devraient être conduites dans le futur.
La réflexion sur un observatoire sismologique
sous-marin
devrait
être
poursuivie
afin
d’envisager
à
terme
un
enregistrement
permanent et dans des conditions optimales,
ainsi qu’un éventuel système d’alerte.
Les transferts de fluides et de matière dans la subduction
De nombreux projets ont été conduits dans la zone sud (Barbade) où la plaque
plongeante porte plusieurs kilomètres de sédiments. Vers le nord, la couverture
sédimentaire devient beaucoup moins épaisse (ce qui ne présume pas des volumes
sédimentaires entraînés dans la subduction) mais l’étude des mouvements de fluides
dans la subduction (volcans de boue, hydrothermalisme) et des relations avec la
topographie de la plaque plongeante (concentration le long des rides morphologiques)
devrait être poursuivie.
Imagerie profonde de la subduction
Une proposition d’imagerie sismique de la partie
profonde de la plaque plongeante, y compris la zone de
fusion partielle vers 100 km de profondeur a été
discutée. Il est clair que sa faisabilité devrait faire
l’objet d’une étude préalable compte tenu des moyens
très importants qui devraient être mobilisés.
Les aléas et risques : évaluation et suivi
Actuellement, un réseau de 15 stations RAP est
III
CNRS
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opérationnel aux Antilles complété par des réseaux BRGM (Guadeloupe), du Conseil
Général (Martinique) et le réseau sismologiques des observatoires de l’IPGP.
Une meilleure évaluation des aléas et la création d’outil d’aide à la décision pour les
collectivités territoriales consisterait à disposer d’un "Système d’Information Géoréférencée"
(SIG) de synthèse qui permette de mettre en commun les sommes d’observations et d’analyses
sectorielles.
Conclusions
L’arc des Antilles présente certaines particularités qui en font un chantier original :
- Un plan de Benioff avec un pendage très élevé (> 60°).
- Convergence océan-plateau Caraïbe sans ouverture arrière arc depuis 50 Ma.
- Des limites au nord et au sud avec la lithosphère continentale en transpression
qui focalise la déformation.
- La charge sédimentaire de la plaque subduite qui varie, sur une distance de
1000 km, de plusieurs kilomètres au sud à quelques centaines de mètres au
nord.
Construction, destruction, érosion, sédimentation.
Les grands glissements : déstabilisation de flanc de volcans et/ou rupture de pente sousmarine
L’écroulement de pans entiers des parties principalement aériennes des édifices
volcaniques participe fortement à leur évolution morphologique et contribue à la mise
en place des sédiments sur tout leur pourtour sous-marin. Des indices montrent
également des possibilités de rupture sous-marine à la limite de la "plate-forme
côtière" et de la pente.
L’étude des ces grands glissements nécessite une approche terre-mer particulièrement
adaptée à l’échelle de ces édifices. Il conviendra de réaliser des campagnes de
reconnaissance permettant d’établir une vision 3D de l’ensemble des systèmes
d’érosion–transport–dépôt. Pour cela de nouvelles campagnes océanographiques seront
nécessaires par grand fond, mais aussi pour la cartographie de la zone sous-marine
côtière en tant que lieu de transition entre l’aérien et le profond, ou en tant que zone
de rupture à l’origine de glissements.
IV
CNRS
INSU
De tels volumes de masse glissée posent le problème du
risque de tsunami lié aux grandes déstabilisations du flanc
des édifices volcaniques, d’autant plus que les glissements
qui en résultent ont une forte capacité érosive qui peut
augmenter le volume de matériau déplacé de manière
significative. Des dépôts anciens de tsunami ont été
identifiés sur certaines îles mais leur origine n’est pas
encore précisée ; en juillet 2003, l’effondrement du dôme de
Montserrat a provoqué un mini-tsunami sur les côtes de la
Guadeloupe. Pour toute simulation de ces glissements et des
tsunamis associés, le volume des masses glissées devra être
mieux précisé. Pour cela, il sera nécessaire de réaliser des
forages d’environ 500 mètres de longueur, en plus de
reconnaissances géomorphologique ou sismique. Les
reconnaissances par sismique HR peuvent en effet s’avérer
insuffisantes, voire inadaptées dans certains cas compte
tenu de la morphologie sous marine très perturbée, de la
nature même de la masse glissée (fragments rocheux), et du caractère répétitif des
événements pour un même édifice conduisant à la superposition des produits glissés.
La « plate-forme »
Dans ce type d’édifice, la notion de « plate-forme » est particulière mais il existe deux
domaines qui doivent être mieux pris en compte :
Sur la plate-forme carbonatée qui se développe au Nord de la Guadeloupe, les
conditions de sédimentation sont réunies pour une étude fine des enregistrements
sédimentaires. Il devrait en effet être possible d’y conduire une analyse de la
stratigraphie séquentielle afin d’y décrypter les enregistrements des variations
eustatiques de celles liés à la néotectonique. Encore peu étudiée, il existe un besoin
de reconnaissance bathymétrique et sismique HR associée à des carottages, cela
devrait permettre de mesurer les variations de vitesse de la dernière remontée du
niveau marin.
2. Sur le pourtour des édifices volcaniques à fort gradient de pente, il existe une zone
de transition entre le domaine aérien (qui peut connaître de grands effondrements
de flanc ou de dôme) et le marin profond, comme lieu de transit de ces
effondrements aériens. Elle peut aussi être le lieu d’initiation de glissements sousmarins remobilisant les dépôts du haut de pente (exemple de Montserrat). C’est
aussi le lieu de l’enregistrement de la dernière remontée du niveau marin. La
question se pose également de savoir si la morphologie actuelle de ces « platesformes » est vraiment liée à la dernière remontée du niveau marin. Dans ce cas,
une analyse fine de la morphologie couplée à des prélèvements sur plusieurs
plates-formes, devrait aussi permettre de contraindre mouvements verticaux le
long de l’arc et variations du niveau marin. Il existe donc un fort besoin de
reconnaissance cartographique et sismique par petit fond et à haute résolution.
1.
V
CNRS
INSU
Les calages stratigraphiques
En complément de l’approche de type stratigraphie séquentielle, signalée plus haut, la
téphrochronologie semble être un bon moyen d’identifier toutes les éruptions
enregistrées dans les carottes sédimentaires. On peut ainsi disposer d’un calage
stratigraphique assez fin comme par exemple dans le cas de la Montagne Pelée qui a
subi 18 éruptions dans les 5000 dernières années. Cette approche doit cependant être
complétée par une analyse complète des carottes, en particulier avec des mesures des
propriétés pétrophysiques (type banc Geotec) afin d’établir une procédure complète de
l’analyse chronostratigraphique et par exemple de bien discerner les séquences
turbiditiques.
L’altération chimique et l'érosion
Il existe très peu d’endroit sur Terre où de telles conditions sont réunies pour étudier
les phénomènes d’érosion compte tenu des fortes précipitations localisées, de la
température, des forts gradient de pente et d’un réseau hydrographique bien concentré
dans quelques rivières ; autant de facteurs favorables à l’érosion chimique qui
participent par ailleurs de façon significative au phénomène de "digestion" de CO2.
L'étude exhaustive de l'altération et de l'érosion implique diverses approches
complémentaires :
•Hydrologie : bilans hydrologiques
•Géomorphologie : processus d’érosion au niveau des rivières comme des versants.
Taux d’érosion mécanique, production des sédiments. Suivis. Rivières à fond rocheux.
•Pédologie : des sols variés, épais, datés. Détermination de taux d’érosion
(cosmogéniques, bilan isovolumiques, isotopes courtes périodes), évolution de la
fertilité des sols avec l’âge.
•Géochimie : suivis, bilan et mécanismes, cinétique d’altération des andésites, puits
de CO2 et vitesse de dénudation.
•Couplage mécanique/chimique
•Biogéochimique. Rôle de la végétation dans la production/la rétention de sédiments.
Modèles d’écosystèmes.
•Séquestration du CO2
VI
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Magmatisme et volcanologie
Les magmas d'arc et leur expression dans le
volcanisme présentent de nombreux aspects
spécifiques. L'une des caractéristiques dans l'arc des
Antilles est la faible représentation des magmas
primaires. Des travaux doivent être menés pour les
caractériser (études des inclusions vitreuses,
approches expérimentales et géochimiques). Un
autre volet d'étude doit s'attacher aux phénomènes
de stockages et transferts des magmas :
différentiation, réservoirs, ascension, dégazage. Il
apparaît nécessaire de regrouper, dans une base de
données, les données existantes et de profiter de
l'échantillonnage existant bien contraint en
localisation et stratigraphie ou datation pour
compléter les mesures géochimiques.
VII
CNRS
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La Soufrière de Guadeloupe. Histoire éruptive du volcan
– structure - magmatologie
L’activité actuelle de la Soufrière de Guadeloupe
est centrée sur le dôme de l’éruption de 1440, qui
est la dernière éruption magmatique connue au
sein du complexe Madeleine – Soufrière. Les
datations K-Ar récentes sur Basse-Terre
montrent une activité qui remonte à plusieurs
centaines de milliers d’années. Différents ages
plus jeunes sont maintenant répertoriés, mais il
continue à exister un besoin de datations pour les
épisodes magmatiques d’age < 10 000 ans. De
même, les phases d’instabilité mécanique de
l’édifice de la Soufrière demanderaient à être
datées, ce qui nécessite probablement de
développer des méthodologies appropriées.
L’existence de plusieurs structures de déstabilisation dans les derniers 15 000 ans,
avec identification d’avalanches de débris, est maintenant démontrée à partir des
nouvelles données de terrain. Ces phases d’instabilité mécanique semblent être
corrélées avec des éruptions magmatiques, probablement à dôme, bien que plus de
données soient nécessaires pour répertorier plus complètement les différents épisodes
d’activité volcanique, en particulier les
évènements
pyroclastiques
explosifs.
La
fréquence
de
ce
type
d’aléa
couplé
(déstabilisation + éruption) peut être estimée à
environ 1 tous les 500-700 ans, ce qui justifie
pleinement l’attention dont est aujourd’hui
l’objet la Soufrière.
Actuellement, le dôme est parcouru par un
système de failles actives. Il comprendrait à sa
base des zones hydrothermalisées et donc
mécaniquement faibles, et montre une certaine
prédisposition à l’instabilité. Toutefois, on sait que le comportement mécanique des
édifices volcaniques est également soumis à l’influence de facteurs à grande échelle
(présence de niveaux de décollement, inclinaison ouest-est du substratum aux
Antilles, existence de failles régionales).
Les campagnes géophysiques récentes ont permis d’imager la partie superficielle du
dôme. Les données sismiques mettent bien en
évidence les zones particulièrement altérées,
ainsi que les failles, dans un milieu qui parait
assez homogène. La tomographie électrique
fournit une image tridimensionnelle du dôme,
les variations de résistivité locales pouvant être
corrélées avec la lithologie, en particulier
l’intensité des circulations hydrothermales. Ces
techniques d’imagerie géophysique demandent
maintenant à être étendues en profondeur.
VIII
CNRS
INSU
Un premier type d’objectif porte sur la représentation des structures plates qui,
d’après l’analyse de terrain, seraient situées à la base du dôme et pourraient découpler
son comportement mécanique du reste de l’édifice. A plus long terme, l’imagerie de la
partie profonde du système hydrothermal, voire du réservoir magmatique peuvent être
envisagés. Sur le plan magmatologique, le massif Madeleine-Soufrière constitue l’un
des 4 grands ensembles de Basse-Terre.
Notre connaissance de l’activité magmatique de la Soufrière repose presque
entièrement sur l’éruption de 1440. Les travaux réalisés antérieurement ont permis
d’établir un cadre général pour cette éruption, lequel sert de point de départ à des
nouvelles études mettant en oeuvre des approches microanalytiques et
expérimentales. L’éruption de 1440 constitue une illustration presque caricaturale
d’un processus de mélange magmatique, et elle conduit à l’éruption et à la vidange
partielle d’un réservoir chimiquement zoné. Elle met en jeu deux pôles magmatiques
parmi les plus communs aux Antilles, un pôle différencié (de composition dacitique) et
un pôle mafique (de composition de basalte à andésite basaltique). Pour comprendre le
fonctionnement du réservoir, il est nécessaire de déterminer les conditions prééruptives (profondeur, teneurs en volatils notamment), et de combiner ce type
d’information avec une modélisation physique des processus dynamiques
(cristallisation, convection, mélange). Avec les coulées de débris associées, cette
éruption fournit un véritable laboratoire naturel pour approfondir les relations entre
le dynamisme éruptif, la composition des magmas émis et le comportement mécanique
de l’édifice.
Thèmes majeurs à développer
- datations : besoin de datations récentes (< 10 000 ans)
- stabilité mécanique de l’édifice : édifice chroniquement instable, plusieurs
destabilisations de flanc reconnues
- stratigraphie volcanique : nécessité de répertorier plus complètement les épisodes
volcaniques, et de les corréler avec les phases de déstabilisation de l’édifice
- imagerie géophysique : importance des circulations hydrothermales sur la stabilité
du dôme actuel, notamment mises en évidence par les techniques d’imagerie
géophysique. Nécessité d’étendre ces approches en profondeur
- magmatologie : importance des phénomènes de mélange de magmas. Nécessité de
déterminer les conditions de stockage et de modéliser la dynamique des réservoirs
magmatiques subvolcaniques
En conclusion : relations entre le comportement mécanique de l’édifice, la composition
des magmas émis et le dynamisme éruptif à approfondir.
IX
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La Soufrière de Guadeloupe. Activité actuelle et
surveillance
La Soufrière de Guadeloupe présente une activité en
évolution rapide et fait l'objet d'observations continues
menées par l'OVSG et d'études ponctuelles (parfois
répétitives) effectuées par plusieurs groupes de
différentes unités du CNRS. Les exposés et les
discussions lors de la session ont mis en évidence la
volonté de plusieurs groupes pour travailler ensemble
dans le cadre d'un programme d'auscultation et de suivi
de la Soufrière.
L'évolution spectaculaire des outils d'observation et de mesure a radicalement modifié
notre façon d'aborder les volcans. La légèreté et
la fiabilité du matériel permettent de recueillir
de nombreuses données dans l'espace et dans le
temps.
La télémétrie et l'informatique
embarquée permettent des prises de mesure à
des cadences élevées et la mise en place de
réseaux de transmission permanents ou
temporaires. Plusieurs groupes maîtrisant des
méthodes
d'imagerie
géophysique
complémentaires
(potentiel
spontané,
tomographies électrique, électromagnétique,
sismique, microgravimétrie et magnétisme) ont
manifesté leur intérêt pour participer à un
programme d'auscultation de la Soufrière et de
son voisinage.
L'imagerie structurale et l'imagerie fonctionnelle du volcan apparaissent comme deux
volets indissociables nécessitant l'utilisation de méthodes d'imagerie géophysique en
association avec des mesures chimiques, physiques et hydrologiques permettant de
quantifier les transferts ayant lieu dans l'édifice. Les données géologiques et les
mesures sur échantillons sont extrêmement importantes pour contraindre l'imagerie
géophysique.
L'important volume des données disponibles et
à venir pose le problème de leur interprétation
et de leur intégration dans un schéma
interprétatif cohérent. Même si chaque type de
donnée
fait
appel
à
des
méthodes
d'interprétation
spécifiques
(ex.
En
tomographie sismique ou électrique), il est
nécessaire de procéder à des inversions tenant
compte des contraintes apportées par les
autres méthodes (géologiques, géochimiques,
etc.).
X
800
Cl ppm
700
Carbet Echelle
Chute du Carbet
600
500
400
300
200
100
0
1/1/79
1/1/84
1/1/89
1/1/94
2/1/99
2/1/04
CNRS
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Un volcan numérique constitué d'une plate-forme
informatique regroupant une base de données et les
modèles élaborés grâce aux données apportées par les
différentes méthodes est apparu comme un objectif
important. Ce volcan numérique, basé à l'observatoire
et accessible par tous les chercheurs impliqués,
permettra l'exploitation optimale des données
recueillies en leur procurant les informations
permettant d'améliorer les modèles en y intégrant
leurs nouvelles mesures.
L'hydrologie est apparue à tous comme un point particulièrement faible dont le
renforcement est nécessaire pour l'élaboration d'un modèle. Un couplage entre les
études hydrologiques et les autres études géophysique et géochimiques est
indispensable.
Le fonctionnement proposé ci-dessus nécessite une coordination scientifique et
logistique afin de planifier les interventions des équipes et d'optimiser l'utilisation des
moyens financiers et matériels. Ce rôle pourrait naturellement revenir à l'OVSG.
Environnement, développement durable
!
!
!
!
!
Caractérisation des émissions volcaniques gazeuses et de leurs impacts
atmosphériques et hydrochimiques.
Inventaire, développement et valorisation des ressources géothermiques.
Ecodynamique des contaminants : leurs impacts sur la qualité des eaux, des sols et
sur la santé.
Grands cycles biogéochimiques (eau, azote, carbone, phosphore,..) dans le
fonctionnement des écosystèmes
Evaluation et cartographie des risques.
XI
CNRS
INSU
Chantier Antilles :
Proposition de mise en place de 2 comités :
Comité de management
·
BRGM : Patrick LEDRU
·
IRD : Rémy LOUAT
·
IFREMER : Pierre COCHONAT
·
INSU : John LUDDEN
·
CNES : Pascale ULTRE-GUERARD
Comité scientifique
·
Pierre COCHONAT
·
Philippe CHARVIS
·
Dominique GIBERT
·
Claude Jaupart/Steve TAIT
·
Jean-Marc LARDEAUX (Président)
·
Michel PICHAVANT
·
Hervé TRAINEAU
·
Michel VAUCLIN
Remerciements … animateurs et participants ….
XII