THEME 1 « GENESE ET EVOLUTION, déformation

DETAIL DE L’APPEL D’OFFRES 2012 PAR THEMES ET CHANTIERS
THEME 1 « GENESE ET EVOLUTION, déformation et magmatisme »
Animateurs : Laurent GEOFFROY et Lies LONCKE
1. LESACQUISDUPASSE
Le thème « Processus de déformation » était en charge de la recherche sur les
mécanismes de rupture lithosphérique lors du précédent contrat d’Actions Marges Phase 1.
Un accent particulier y a été mis sur la compréhension des mécanismes d’exhumation du
manteau lithosphérique et sur les modes de déformation ultime de la croûte continentale au
niveau de la transition continent-océan ainsi que sur les conséquences thermiques et
sédimentaires (bassins sur détachements) de la rupture. Le choix des cibles d’étude s’est
naturellement porté vers des cibles favorables à ces problématiques : Pyrénées (TOC réactivée
en convergence) et, plus tardivement, Golfe de Californie (marge oblique très jeune). Les
actions menées dans le cadre du chantier Aden-Afar étaient complémentaires de ces études
mais réalisées de manière distincte de celles du thème processus. En parallèle, la diversité de
l’évolution des marges transformantes a été réévaluée au sein du thème « Interactions long-
terme manteau-sédimentation-climat » : ces marges montrent des évolutions verticales
inattendues et nécessitent des études spécifiques (concepts spécifiques en cinématique,
tectonique, relation déformation-dépôts…). Ces questions rejoignent désormais le thème
« GENESE ET EVOLUTION, déformation et magmatisme ».
2. LESNOUVELLESQUESTIONSDE1erORDREARESOUDRE
Le nouveau thème « GENESE ET EVOLUTION, déformation et magmatisme » vient
tout d’abord combler un aspect majeur mais non documenté dans Action Marges 1, en
l’occurrence l’étude du rôle de la fusion mantellique dans l’évolution tectonique et
thermique des marges. Les autres aspects de l’évolution des marges ne peuvent, néanmoins,
être oubliés dans les processus de déformation lithosphériques et notamment les axes
suivants : rôle de l’héritage dans l’évolution des marges, mécanismes de l’ouverture
oblique, spécificités et évolution des marges transformantes, mode de réactivation d’une
marge passive en contexte de convergence. Bien entendu, la réflexion du thème est à
l’échelle de la lithosphère dans son ensemble et des relations asthénosphère-lithosphère. Ce
thème s’articulera en 3 sous-parties (Magma-Extension, Mécanique - Obliquité et
Réactivation Marges) qui permettront de répondre à différentes questions de premier ordre.
Les chantiers « Aden-Afar-Mer Rouge » et « Méditerranée occidentale » seront
respectivement les cibles prioritaires des actions Magma-Extension/Méca-Oblique et
Réactivation Marges. Des ateliers supplémentaires pourront être nécessaires au traitement des
trois axes : Golfe de Californie (Mécanique - Obliquité/Réactivation Marges), Guyane
(Mécanique - Obliquité) et Groënland (Magma-Extension)
Action « Magmatisme et extension »
Plus de la moitié des marges passives mondiales sont de type « volcanique ». Ces
marges sont associées à une lithosphère en extension et à des processus de déformation
particuliers car synchrones d’une fusion asthénosphérique très importante. Si la structure finie
de la croûte supérieure de ces marges est bien comprise, on ne connaît ni la géométrie des
anciens bassins sédimentaires localisés sous les formations volcaniques, ni la structure de la
croûte inférieure de ces marges, ni les processus actifs de la déformation d’une lithosphère de

type « marge volcanique ». En particulier, confronter processus finis (ex : marges érodées du
Groenland) aux processus actifs (dépression de l’Afar) est un enjeu majeur pour la
compréhension de ce type de marges. Le rôle du magma dans l’évolution géométrique et
rhéologique de ces marges sera particulièrement étudié et, notamment, les injections de
magma dans les failles et dans les zones de cisaillement crustales. Enfin, nous devons
comprendre les relations entre déformation active et hydrosphère : rôle de l’hydrothermalisme
dans la déformation crustale, modes de pénétration des fluides hydrosphériques dans la croûte
inférieure et manteau, etc
Action « Mécanismes de la rupture lithosphérique et évolution des systèmes
obliques: héritage, spécificités, mouvements verticaux syn- et post-extension,
processus sédimentaires associés»
Il reste des points fondamentaux pour comprendre la dynamique de la lithosphère lors
de la rupture lithosphérique. Tout d’abord, aucune vision claire et conceptualisée n’est
proposée du rôle de l’héritage rhéologique sur le mode et la géométrie de la déformation
lithosphérique, qu’il soit compositionnel, thermique ou textural. En outre, les liens entre
dynamique (contraintes aux limites) et déformation restent obscurs. A ce titre, l’évolution des
marges obliques à transformantes doit être décrite et revue. Des questions clés doivent être
abordées : origine des failles transformantes, structure crustale et rôle éventuel du fluage de la
croûte ductile dans les premiers stades de l’ouverture océanique, pertinence du modèle
cinématique des marges transformantes, intégration de ces marges dans les modèles
classiques de marges, relations entre processus mantelliques et fonctionnement des marges
transformantes, impact des effondrements gravitaires sur l’évolution verticale de ces marges
pendant et après l’océanisation, processus érosifs, sédimentaires et hydrothermaux
spécifiques…Ces questions doivent être abordées dans les systèmes en ouverture oblique à
extrêmement oblique depuis des marges jeunes jusqu’aux marges anciennes.
Action « Réactivation des marges passives»
La réactivation des marges est l’un des axes proposés dans « GENESE ET
EVOLUTION ». Il s’agit de comprendre comment les éléments structuraux majeurs d’une
marge passive, à l’échelle de la croûte et de la lithosphère, sont réactivés en convergence, à
partir d’exemples du domaine méditerranéen.
THEME 2 - Systèmes sédimentaires : transferts et bilans
Animateurs : Thierry Mulder et Michel Séranne
Les acquis du GDR puis d’Actions Marges sur les aspects sédimentaires concernent les
marges silicoclastiques, les systèmes gravitaires carbonatés anciens, la géométrie des lobes
distaux et la mise en évidence de transferts sédimentaires importants entre le plateau interne et
le littoral. Les isopaques de sédiments accumulés sur les marges pendant le post-rift, posent
les questions (1) de l’origine des accumulations (2) des facteurs (internes ou externes)
contrôlant le transfert depuis les bassins versants, et (3) de l’extrapolation des mesures de
flux instantané dans les bassins versant.
L’acquisition de données lors de missions récentes initiées ou labellisées par Actions Marges,
l’amélioration des outils d’acquisition, des concepts et des méthodes d’analyse stratigraphique
dans les systèmes terrigènes (écostratigraphie) et l’accumulation de données récurrentes dans
les zones atelier, à terre et en mer, de nouvelles techniques de traçage sédimentaire,
permettent de proposer des objectifs réalistes selon trois grands axes de recherche :
• Les processus de resédimentation sur une pente carbonatée.

Il s’agit de comprendre les phénomènes de transport et de dépôts des sédiments carbonatés, et
de comparer avec les systèmes bien connus de marges silicoclastiques. Un chantier envisagé
est le système Bahamas. L’analyse des données de bathymétrie multifaisceaux, d’imagerie
acoustique, de carottage et de sismique très haute résolution issues de la campagne Carambar
(novembre 2010) permettra d’établir une reconnaissance de la morphologie et de la géométrie
des corps sédimentaires construit sur une pente carbonatée et d’établir un modèle génétique
d’évolution des dépôts sédimentaires sur une pente alimentée par une source carbonatée.
Des compléments d’études pourraient permettre d’envisager une comparaison avec les
systèmes carbonatés anciens.
Dans ce cadre, l’accent sera mis sur les processus génétiques de bréchification des calcaires et
leur interprétation en termes d’environnement de dépôt : allochtonie vs autochtonie.
• Contrôle climatique de la mise en place des turbidites.
L’évolution des concepts et les études combinées des faunes et écostratigraphie, le
développement de la magnétostratigraphie ou l’existence de moyens nationaux (programme
Artémis) permettent désormais, (avec un investissement technique humain important) de
progresser dans la datation de séries sédimentaires dominées par les apports gravitaires. Les
données acquises ces dernières années permettent d’envisager l’analyse d’éventuelles
cyclicités sédimentaires à des échelles de temps de quelques dizaines d’années à quelques
dizaines de millions d’années.
Il pourra s’agir d’étudier par exemple :
‐ la mise en place des dépôts gravitaires au cours du dernier cycle
glaciaire/interglaciaire,
‐ de définir les liens continent-océan et de mieux comprendre l’alimentation des
canyons,
‐ d’appréhender l’importance du rôle des tempêtes dans le déclenchement des processus
gravitaires,de caractériser les effets d’un forçage de fréquence « Milankovitch » sur la
mise en place des turbidités,
‐ de préciser le rythme des cycles de progradation / rétrogradation dans les lobes
distaux, leur caractère cyclique ou non, et d’autre part, de préciser leur nature en
termes de fréquence et de type des processus gravitaires ou de changements dans la
nature des apports,
‐ de préciser la mise en place et l’évolution des canyons sous le contrôle combiné des
forçages climatiques et tectoniques sur une marge.
Différentes chantiers pourront être envisagés comme par exemple, le Golfe de Gascogne, le
Golfe du Lion, le système Zaïre , les Bahamas ou le Golfe d’Aden.
• Flux et transferts sédimentaires
L’étude des flux sédimentaires aborde deux échelles de temps et deux concepts différents :
• Le concept de piégeage et d’équilibre dynamique. L’étude des modalités de piégeage et de
transfert de sédiment à haute fréquence (ordre de l’année à la décennie) permet de
quantifier les bilans sédimentaires depuis le littoral vers les grands fonds. L’analyse de
données récurrentes sur des zones atelier, l’utilisation de données quantitatives
(courantométrie sur durée décennale) et la modélisation numérique des phénomènes de

transport, érosion, sédimentation) permettent d’estimer les temps de piégeage des sédiments
sur le plateau continental interne, leur circuit dans cet environnement avant leur
éventuel transfert vers les grands fonds. Les résultats permettront d’estimer la signification
en terme de flux des surfaces d’érosion observées dans l’ancien. Une comparaison est
envisagée entre trois sites majeurs des différents contrats GDR et Actions Marges : la marge
africaine (Ogooué), la Méditerranée et le Golfe de Gascogne. L’étude des données acquises et
les missions prévues permettent d’avoir des bases de données de qualité et sur le long terme
pouvant faire émerger ces sites comme de potentiels observatoires de la sédimentologie du
plateau interne et du littoral, domaine clef du transfert des particules du continent vers
l’océan.
• Le concept « source-to-sink » sur le long-terme (post-rift), permet d’analyser, par l’étude
des flux sédimentaires entre les bassins versants et la marge subsidente, les interactions entre
processus externes (altération, érosion, transferts sédimentaires) et internes (déformation
lithosphérique, mouvements asthénosphériques) qui régissent l’évolution post-rift des marges
divergentes.
Dans le Chantier Méditerranée Occidentale, les compilations d’horizons stratigraphiques sur
ce bassin fermé (déjà amorcés par le GDR et Actions Marges) permettront d’établir
l’évolution des flux sur 3 échelles de temps : sur le syn- à post-rift (effet de la déformation
lithosphérique), sur le Plio-Quaternaire (apparition de la haute fréquence glacio-eustatique) et
sur le dernier cycle glaciaire (impact du climat). Les bilans seront corrélés avec l’évolution
des taux de dénudation analysés par géomorphologie dans les bassins versants
méditerranéens, notamment celui du Rhône. Dans les zones carbonatées méditerranéennes, il
conviendra de développer des méthodes de quantification des processus de karstification, afin
d’intégrer la dissolution des carbonates dans les bilans.
Dans le Chantier Aden-Afar, on analysera les premiers stades d’évolution des bassins versants
en interaction avec l’érosion des reliefs syn-rift, ainsi que les processus d’accumulation
d’évaporites, que l’on pourra comparer à la marge mature Atlantique sud. Cette zone offre
également la possibilité de comparer les interactions érosion-transfert-dépôt dans les segments
divergents et obliques de la marge.
Dans la zone atelier Marges ouest-africaines, a été mis en évidence le stockage temporaire
long-terme (>10 My) des sédiments dans les zones amont des bassins versants
épisodiquement endoréïques (Cuvette du Congo). Dans la zone littorale, il existe également
des zones initialement subsidentes dans le post-rift précoce, qui subissent plus tard une
surrection et érosion des formations déposées. Il s’agit d’un facteur de premier ordre, portant
sur des proportions significatives du bilan, et jusqu’à présent ignoré, qui affecte les flux
détritiques entre bassin versant et marge matures. La caractérisation (traçage des sources,
quantification des volumes déposés puis érodés, le timing, les environnements de dépôt)
apportent des contraintes fondamentales sur la distribution, l’amplitude et le timing des
mouvements mantelliques au cours du temps, à l’échelle du continent et de sa marge.
THEME 3 – Mouvements Verticaux
Animateurs : Olivier Dauteuil et Nicolas Loget
Introduction
L’évolution des marges continentales passives est classiquement vue en deux
périodes : l’une associée à la rupture continentale (phase syn-rift) et l’autre à un simple
rééquilibrage consécutif à cette rupture (phase post-rift). Les études récentes ont montré que
les mouvements verticaux associés sont plus complexes et résultent de la conjonction et du
couplage de différents processus dont la part relative varie énormément au cours du temps.

Les mouvements verticaux affectant les marges divergentes sont liés à des processus
d’amincissement lithosphérique, d’isostasie, de flux de chaleur sous-jacent dans le manteau
terrestre, et de subsidence flexurale pendant la phase de rifting (syn-rift) opérant à des
longueurs d’onde différentes. Cette dynamique des mouvements verticaux perdure pendant la
phase de post-rift notamment liée à la flexure induite par l’érosion des épaulements de rift, le
poids des sédiments déposés sur la marge, le rééquilibrage thermique qui s’opère, mais aussi
des mouvements liés aux conditions limites (le ridge push par exemple) ou de la dynamique
du manteau sous-jacente (topographie dynamique liée à des plumes ou des retraits de slab) qui
peuvent déclencher une réactivation de la marge. Il existe des processus intrinsèques aux
marges que l’on devrait retrouver systématiquement sur chaque marge (avec des amplitudes
différentes selon les propriétés mécaniques de la marge) et des processus extrinsèques
symptomatiques du contexte régional. Ces aspects ont particulièrement progressé durant le
projet « Action-Marges » 2007-2011 que ce soit par imagerie géophysique, données de
terrain, analyse par stratigraphie séquentielle ou modélisations numériques. Néanmoins, la
variété des processus mis en évidence à l’heure actuelle (ne serait-ce que pour expliquer
l’amincissement crustal par exemple) rend difficile la description des processus à l’origine des
mouvements verticaux d’une marge uniquement à partir d’un état de « déformation finie » de
la lithosphère. Aussi une quantification 3D des mouvements verticaux et de leur évolution
au cours du temps peut apporter une contrainte géologique forte sur (i) la compréhension et
la cinématique des processus tectoniques et/ou mantelliques et (ii) les modélisations
numériques actuellement développées. Une estimation des caractéristiques spatiales et
temporelles de ces mouvements servira de base à la caractérisation des processus à leur
origine. L’atelier « Mouvements verticaux des marges passives» qui s’est tenu à Paris en Mai
2011, a fait cruellement ressortir deux points majeurs : la quasi-absence de quantification de
mouvements verticaux et la difficulté d’avoir un repère fiable dans le temps. Pour ce dernier
point, il est classiquement utilisé le niveau absolu de la mer (eustatisme), mais de nombreux
travaux récents montrent que les courbes publiées sont fausses (d’un facteur 2 pour leur
amplitude, dans certains cas extrêmes) et que le ou les processus à l’origine de ces variations
restent inconnu(s). Ces actions s’inscrivent pleinement dans le projet d’Action-Marges pour la
future période 2012-2015. Nous proposons deux aspects : 1) une quantification des
déplacements avec des marqueurs fiables, et 2) une quantification des variations spatiales du
niveau marin relatif, dans le but de définir la composante climatique des variations
eustatiques.
Quantification et marqueurs des déplacements verticaux
De nombreux marqueurs géologiques permettent d’apprécier le déplacement vertical
d’un point depuis la plus petite échelle (échelle d’une faille) jusqu’à la plus grande (échelle
d’une marge). Néanmoins, cette approche souffre de deux biais : (i) le mouvement calculé est
la plupart du temps relatif (par exemple une faille peut décaler deux marqueurs mais la
topographie régionale peut être en train de monter ou descendre, le signal est donc ici le
résultat de deux vecteurs vitesses (Fig. 1) et (ii) la vitesse calculée, notamment sur le long
terme, peut intégrer plusieurs évènements géologiques plus ou moins discrets que l’on ne peut
expliquer ou modéliser par un processus unique. Aussi l’utilisation de marqueurs relatifs
(pour déconvoluer le signal local notamment) et de marqueurs absolus est nécessaire pour
appréhender tout mouvement vertical, l’objectif idéal étant de pouvoir établir des cartes de
champ de vitesse qui renseigneront et contraindront fortement le processus responsable de la
dynamique verticale de la lithosphère et/ou du manteau sous-jacent.
Ces marqueurs peuvent être d’ordre (i) sédimentaire et/ou stratigraphique en pointant par
exemple sur le terrain ou par sismique la position du littoral, (ii) géomorphologique en
identifiant des surfaces repères comme des terrasses, des surfaces d’altération ou des surfaces