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

CNRS INSU
I
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.

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II
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

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III
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

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V
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 sous-
marine
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.

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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 :
1. 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 sous-
marins 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 « plates-
formes » 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.