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 longterme 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
d’érosion marine. Cependant, ces deux marqueurs nécessitant une bonne connaissance du
niveau marin pour chaque période où ils ont été déterminés et étant donné la remise en cause
récente des chartes eustatiques classiques, la prise en compte des marges d’erreur sur la
quantification des variations du niveau marin relatif, inhérentes à la mise en place d’une
nouvelle charte eustatique dans le futur, devra être intégrée. Ce niveau repère est fondamental
car c’est l’un des seuls qui puissent être utilisé pour effectuer de comparaisons temporelles et
spatiales. L’intégration des méthodes permettant d’évaluer les paléo-altitudes, à travers par
exemple les pollens ou les isotopes de l’oxygène dans les dépôts sédimentaires, pourra
s’avérer également précieuse.
Concernant les méthodes thermochronologiques, celles-ci peuvent permettre d’évaluer la
quantité de matériel exhumé ainsi que les vitesses associées. Néanmoins, ces méthodes
doivent être nécessairement couplées avec des marqueurs « absolus » car elles ne renseignent
que sur la quantité de matériel exhumé et nécessitent des hypothèses fortes pour contraindre
un « rock uplift » ou un « surface uplift ». De la même manière, les flux sédimentaires estimés
dans les bassins en intégrant les bassins versant alimentant le système (approche « source to
sink ») constituent une approche relative et doivent être couplés là aussi à des marqueurs
absolus. Ces deux dernières méthodes nécessitent également de discerner ce qui concerne la
part respective de la tectonique et du climat.
Les chantiers et ateliers
Pour tenter d’estimer ces mouvements verticaux sur les marges, il est nécessaire de
travailler sur différents chantiers représentant des stades d’évolution variés : syn-rift, post-rift
récent, post-rift plus long voire marge en réactivation, ceci afin de contraindre au mieux la
dynamique des différents processus agissant à court et long termes sur une marge. Dans cette
perspective, l’ouverture du système Aden-Afar constitue un stade récent et peut permettre
d’appréhender via l’étude des mouvements verticaux la part respective de l’étirement et du
flux mantellique/bombement thermique à partir de marqueurs sédimentologiques, tectoniques
et géomorphologiques. Le chantier Méditerranée occidentale concerne un stade plus évolué
(post-rift) mais avec des âges post-rift variés : Oligo-Miocène pour le golfe du Lion et la fosse
de Valence ou Pliocène pour la mer tyrrhénienne lié au retrait de la subduction apenninique.
L’avantage de cette zone est qu’elle recèle de nombreuses surfaces repères notamment
marines : transgressions miocènes, érosion messienne puis ré-ennoiement pliocène (bien
identifiables en sismique dans toute la Méditerranée), terrasses marines quaternaires, le tout
présent en domaine offshore et onshore. Une quantification permettra éventuellement de
mieux comprendre la part respective de la subsidence flexurale post-rift, le flux
asthénosphérique lié au retrait de slab, le tout dans dans un cadre géodynamique en
convergence (rapprochement des plaques Afrique-Europe). Un dernier chantier est envisagé
qui présente des marges ayant eu une évolution plus longue (de l’ordre de la centaine de Ma
voire plus) : les marges péri-africaines. En effet l’histoire de ces marges commence dès la fin
du Jurassique ce qui permet d’avoir une grande période de temps. Ces marges présentent aussi
des contextes géodynamiques d’ouverture variés depuis une marge classique jusqu’à des
marges transformantes, ainsi qu’une segmentation importante, accrue par leur longévité.
Toutefois, la difficulté majeure consistera à trouver des marqueurs de cette déformation. Il y a
là un véritable défi méthodologique tant dans l’analyse de ces marqueurs que dans leur
datation. Les chantiers devront permettre d’évaluer localement les variations spatiales du
niveau marin relatif qui, en les comparant entre elles, permettrait de déconvoluer les
tendances générales des effets locaux et ainsi de proposer à long terme une nouvelle charte
eustatique.
THEME 4 - Thème « Fluides/Matière organique/Matières minérales »
Animateurs : Aurélien Gay et Sébastien Migeon
Le thème « Fluides-Matière organique » a été créé lors de la transition entre le GDR
Marges et le nouveau programme Actions Marges. Auparavant cette thématique a été traitée
au sein des chantiers « Nil », « Subduction » et « Matière organique ». la reconnaissance et
l’analyse des échappements de fluides y étaient abordés dans différents contextes tectonosédimentaires (marge continentale du Nil et prismes d’accrétion d’Hikurangi (Nouvelle
Zélande) et de la Barbade (Trinidad)). L’analyse du transfert et de la préservation de la
matière organique en domaine marin était abordée sur la marge du Congo.
Dans le cadre d’Action Marges, la création de cette thématique a tout d’abord été associée
à la marge nilotique sur laquelle les résultats issus du GDR avaient montré toute l’importance
et la diversité des figures d’échappement de fluides en fond de mer ainsi que l’abondance de
la matière organique à l’intérieur des niveaux sapropéliques et des turbidites silicoclastiques.
Le thème s’est ensuite élargi à de nouveaux chantiers : mer d’Irlande et marge de Guyane
(fluides) et marge de l’Ogoué (matière organique).
Grâce à ces analyses multi-chantiers, de nouveaux résultats ont amélioré notre
connaissance des fluides, de leurs causes et de leurs conséquences sur les dépôts des pentes
continentales :
(1) les principales périodes d’émission de fluides correspondent aux périodes de forte chute
du niveau marin,
(2) le type et l’agencement d’échappements de fluides sont liés à la présence de failles
s’enracinant dans la marge ou à des processus d’expulsion plus superficiels provenant de
chenaux/lobes turbiditiques ou de glissements enfouis,
(3) la compréhension de la formation des conduits de migration a bénéficié de l’élaboration
de lois de comportement basées sur des modélisations analogiques,
(4) une baisse du niveau marin de l’ordre de 50 m serait suffisante pour entraîner une
dissociation des hydrates de gaz à une profondeur d’eau de plus de 1000 m et ainsi générer le
déclenchement de glissements sous-marins de plusieurs centaines de km3.
Pour le transport et la préservation de la matière organique dans les sédiments
marins, il a été montré que :
(1) dans les dépôts turbiditiques, la matière organique est d’origine continentale ; elle
présente des caractéristiques homogènes quelque soit l’environnement de dépôt (chenaux,
levées, lobes), avec des teneurs généralement de l’ordre de 1-2% mais pouvant atteindre 14%,
et avec une faible oxydation ; son accumulation est directement liée à l’hydrodynamisme des
écoulements gravitaires,
(2) dans les dépôts sapropéliques, la matière organique est d’origine marine ou
continentale ; elle présente une forte variabilité géographique, avec des teneurs variant
généralement de 2 à 10% en fonction de l’âge et de la profondeur d’eau du dépôt du
sapropèle.
Sur la base de ces résultats, nous proposons de nous concentrer sur de nouvelles
orientations scientifiques pour mieux contraindre la chaîne continue de transformation
entre le dépôt de la matière organique, la production de fluides, leur migration et leur
impact sur la colonne sédimentaire.
Pour l’étape 1, il s’agira de comprendre les évolutions complexes Matière OrganiqueMatières Minérales et la production de fluides dans les premières centaines de mètres de la
colonne sédimentaire en appréhendant (1) le rôle des sources (marine/terrestre) et la nature et
le rôle des argiles dans la préservation des MO, (2) le rôle de l’environnement de dépôt
(oxique/anoxique), (3) les conditions de la dégradation bactérienne de la MO, (4) les
modalités de la production/libération des fluides. Ceci nécessitera d’étudier des sédiments
naturels à partir d’analyses minéralogiques, cristallochimiques, isotopiques et Rock-Eval.
Pour l’étape 2, il s’agira d’établir les relations entre sources de fluide/conduits/marqueurs
d’expulsion en appréhendant (1) les circulations à grande échelle et leurs géométries, (2) les
marqueurs de l’expulsion (comparaison sismique/terrain), (3) la dynamique des expulsions et
leur timing au cours de l’histoire d’un bassin. Ceci nécessitera de disposer de larges sets de
données multi-échelles (bathymétrie, sismique HR/THR/3D, carottes) couplés à des
modélisations hydro-mécaniques et analogiques.
Pour l’étape 3, il s’agira de comprendre les implications des expulsions sur l’encaissant
sédimentaire, notamment (1) le rôle de l’état des fluides sur le type de glissement déclenché,
(2) le rôle des fluides dans les modifications des propriétés rhéologiques et la dégradation
rapide des matériaux, (3) la caractérisation des surpressions nécessaires au déclenchement
d’une rupture, (3) le lien temporel entre la libération/circulation des fluides et la rupture d’une
faille. Ceci nécessitera également de disposer de larges sets de données multi-échelles
(bathymétrie, sismique HR/THR/3D, carottes) couplés à des modélisations analogiques.
Comme nous avons pu le démontrer au cours de la première phase d’Actions Marges, la
bonne réalisation du projet ne peut se faire sur un seul chantier, mais nécessite une approche
multi-sites, chaque zone géographique permettant d’apporter une pièce du puzzle. L’ensemble
des sites investigués jusqu’à présent sera donc conservé.
CHANTIER 1 – MEDITERRANEE OCCIDENTALE
Animateurs : Marina Rabineau
La Méditerranée Occidentale a été un chantier initial et permanent du GDR Marges puis d’Actions
Marges. Très rapidement, il a fallu regrouper les diverses communautés scientifiques, souvent
séparées, travaillant sur ce chantier afin de mettre en commun les résultats et les connaissances
pluridisciplinaires et de définir ensemble les travaux supplémentaires à effectuer pour progresser dans
la compréhension générale de cette région. La combinaison des approches terre-mer, multidisciplinaires, la mise en commun des efforts et l’élaboration de grandes synthèses forment la clef de
voûte de ce chantier. Cette approche fédératrice a donné lieu à de nombreuses publications
scientifiques, a participé à la formation d’étudiants et a favorisé la mise en place d’importants projets
nationaux et internationaux (ANR, contrats transverses, projet de forage IODP GOLD,…). Elle a
fortement contribué, avec les autres chantiers tels que le Golfe d’Aden, à la reconnaissance
internationale du GDR Marges et d’Actions Marges.
Evolution du programme GDR Marges, Actions Marges 2008-2011 ; Actions Marges Phase 2
Centré sur le Golfe du Lion pendant les années GDR Marges, le chantier s’est diversifié et élargi une
première fois aux marges Nord de la Méditerranée Occidentale pendant les 4 années d’Actions Marges
(Golfe du Lion, Provence, Sardaigne, Ligure, Valence, Tyrrhénienne). Cette ouverture sur d’autres
secteurs géographiques a permis des avancées majeures tant sur le plan de notre connaissance
régionale que thématique (voir Bilan de synthèse 2008-2011). Un des exemples phares est la
publication de l’atlas de synthèse sur les marqueurs sismiques de la Crise de Salinité Messinienne
(Lofi et al. 2011), initié dans le cadre des programmes Actions-Marges et ECLIPSE.
Prospective
C’est dans cet esprit d’ouverture que le futur chantier Méditerranée Occidentale d’Actions Marges a
été pensé : développer nos efforts sur les extrémités encore peu connues de la Méditerranée
Occidentale (Mer d’Alboran/Baléares, Sicile, Tyrrhénienne), et ouvrir les discussions scientifiques aux
communautés nationales et internationales des géosciences travaillant sur ces régions et thématiques
associées. Cet ultime élargissement devrait aboutir à la mise en place de synthèses régionales et
thématiques (structures salifères, paléo-rivages, structures des marges).
Bien au-delà d’un intérêt régional et bien que situées dans un contexte de rapprochement entre
l’Afrique et l’Europe, les marges de la Méditerranée Occidentale, constituent un objet géodynamique
cohérent et unique, résumant différents stades de la genèse des marges divergentes et de leur devenir
: les marges du Golfe du Lion, de la Sardaigne, et de la Ligure, situé dans un contexte d’arrière-arc,
ont des géométries crustales comparables en tout point à celles des marges de l’Atlantique : la marge
du Golfe du Lion est semblable à la marge du Gabon ; la marge de Ligure, plus abrupte, à celle de
certaines marges équatoriales ; la marge Est-Sardaigne syn-messinienne est réactivée; le bassin de
Valence représente un stade avorté ; la marge algérienne, un stade en inversion. Dans le bassin
tyrrhénien, la lithosphère océanique est avérée et le modèle classique d’ouverture arrière arc avec une
fuite vers l’Est et des ouvertures successives liguro-provençale puis tyrrhénienne est assez bien
contraint. En Alboran, en revanche le bassin est continental et avant-arc. Donc deux bassins à
l’histoire complètement différente.
D’autre part, toutes ces marges passives sont jeunes et fortement subsidentes et permettent un
enregistrement exceptionnel des processus sédimentaires qui permet une approche détaillée des
effets des variations climatiques et tectoniques au cours des 30 derniers millions d’années tant sur la
ligne de rivage, sur le plateau continental, sur la pente et dans les canyons et jusqu’aux bassins
profonds. Le chantier dispose aujourd’hui de l’essentiel des surfaces stratigraphiques en 3D permettant
d’évaluer et de quantifier les flux sédimentaires d’une part et la subsidence d’autre part au cours du
temps.
Enfin, l’événement messinien, par son ampleur et sa dynamique (« catrastophe géologique »),
représente un jalon unique dans l’histoire des marges. Il offre de formidables marqueurs tant pour la
paléogéographie que pour la compréhension et la quantification des mouvements verticaux à l’échelle
du bassin méditerranéen.
Les connaissances régionales et les données obtenues dans le cadre des programmes GDR Marges et
Actions Marges 2008-2011, nous permettent d’aborder 4 nouvelles grandes questions, pour le nouveau
quadriennal avec pour objectif de quantifier véritablement les processus et d’aborder les
modélisations. Pour remarque, ces questions étant liées entre elles, elles ne peuvent s’étudier
séparément :
(1) Quel est le rôle respectif de la tectonique et du climat dans le flux sédimentaire et dans les
processus de transfert sédimentaire, au cours du Cénozoïque?
Dans le Chantier Méditerranée Occidentale, les compilations d’horizons stratigraphiques sur
ce bassin fermé (déjà bien amorcées 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. Un effort tout particulier sera porté sur les mesures (thermochrono, géochimie sédimentaire et minéralogie, volumes, mesures in-situ récurrentes,
observatoires…) et les modélisations (stratigraphiques, paléo-tidales, …).
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.
(2) Quels sont les liens entre processus superficiels et profonds ? Afin d’y répondre, un effort tout
particulier sera porté sur la quantification des mouvements verticaux via l’utilisation de
marqueurs stratigraphiques cartographiés en 3D (messinien, paléo-rivages, karsts) et la paléotopographie, ainsi que sur la discrimination des effets relatifs de la tectonique salifère, de
l’argilocinèse par rapport à la tectonique crustale et sur les modélisations (stratigraphiques,
lithosphériques…).
(3) Quelle est la rhéologie de la lithosphère (nature de la croute, TOC, manteau, …) ? Quelle est
son comportement lors de la genèse de la marge, lors de sa réactivation et lors des transferts de
masse dus à l’événement Messinien ?
(4) Comment se réalise la réactivation des marges passives en contexte de domaine arrière-arc ?
Répondre à ces questions scientifiques nécessite d’apporter de nouvelles contraintes quantitatives,
temporelles et environnementales. Les principaux moyens sur lesquels nous devrons mettre l’accent
sont, outre l’identification des marqueurs régionaux : les datations, les mesures thermochronologiques, la biostratigraphie, la caractérisation des paléoenvironnements, Il faudra aussi utiliser
la connaissance des chantiers matures comme le Golfe du Lion et intégrer les nouvelles observations
faites sur les chantiers émergeants (Alboran/Baléares, Tyrrhénienne, Sicile).
Les délivrables de ces études, en appui à la réflexion, pourraient se décliner sous la forme de
reconstructions cinématiques et paléogéographiques haute-résolution, de modélisations
stratigraphiques, thermo-mécaniques et isostasiques, et/ou de synthèses (ex. atlas sismique des
marqueurs messiniens,Lofi et al., 2011b).
Les questions scientifiques soulevées ci-dessus montrent s’imbriquent tout naturellement dans les
hématiques d’Actions Marges et plus particulièrement i) Genèse et Evolution : Déformation et
magmatisme ; ii) Systèmes Sédimentaires, transfert et bilan ; iii) Mouvement verticaux, quantification
et origine. Un intérêt plus soutenu sera porté sur la thématique « Fluides & MO-MM » peu abordée
jusqu’içi dans le chantier
CHANTIER 2 – ADEN-AFAR-Sud MER ROUGE
Animateurs : Raphaël Pik et Sylvie Leroy
La pertinence du chantier :
Cette province est remarquable car il s'agit du plus jeune point triple du globe où trois rifts,
dont deux déjà océanisés, sont en train de fragmenter un continent sous l'influence de l'activité d'un
panache mantellique. Tous les stades d'extension, du pré-rift au centre d'accrétion océanique actif y
sont représentés, le long d'une variété de segments de marges continentales étirées, volcaniques ou
non, quand on s'éloigne de l'influence du point chaud le long du Golfe d'Aden ou de la Mer Rouge. A
l'opposé, le cœur de la province volcanique représente le stade ultime de la fragmentation continentale,
objet unique à l'échelle du globe, pour lequel l'activité, la morphologie et la segmentation des rifts
axiaux sont comparables à celles des segments océaniques, mais accessibles à pieds secs !
Ce chantier a été initié lors du GDR et ensuite dans la phase 1 d’Actions-Marges, dans le but
d'étudier de façon intégrée l'évolution d'un système de marges jeunes où sont exprimées encore
nettement les relations syn-rift/post-rift et Terre/Mer autour de la transition continent/océan lors de
l'amincissement lithosphérique extrême. Une grande partie des actions a été menée sur les marges
proximales du Golfe d'Aden oriental puis, vers l’Ouest avec un financement ANR indépendant
(YOCMAL), de façon à mettre en évidence une variabilité importante des structures d’Ouest en Est,
en s’éloignant du point chaud Afar.
Par ailleurs, les marges en cours d'extension de la dépression Afar ont commencé à être
étudiées avec deux approches focalisées sur (1) les tout premiers accidents syn-rifts et (2) la structure
et le fonctionnement volcano-tectonique des segments actifs d'Assal et de Dabbahu.
Cependant, de grandes questions scientifiques restent non encore résolues :
- Comment et quand l'amincissement lithosphérique s'effectue-t-il dans un tel contexte : quel modèle
tectonique ? Le rôle des détachements ? Sont-ils nécessaires (pour amincir la croûte, pour exhumer le
manteau) ? Sont-ils spécifiques à un type de marge ?
- Rôle du magmatisme dans l'extension et relations injection de magmas / flexuration pour
accommoder l'extension : A partir de quand l'extension est-elle essentiellement accommodée par le
magmatisme ? Quand les SDRs se forment – ils ? Dans quel contexte structural ? Quelle est la
thermicité associée ? Quelle implication et quelle spécificité cela confère-t-il aux différents types de
segments (magmatiques et peu magmatiques) ?
- Comment et quand est acquise la segmentation ? Quels processus tectoniques et volcaniques
entretiennent cette segmentation ? Quelle variabilité tectonique intrinsèque ou ontogénique guide la
nature et la spécificité de segments adjacents différents ?
- Nature des premiers bassins sédimentaires à la TOC : quel contexte (structural, thermique) et quelles
spécificités en fonction du type de segment ? Quelle topographie est associée à la marge syn-rift lors
de la TOC ? Dynamique de la dissection de la marge topographique syn-rift et nature des apports dans
les bassins ? Relations entre les dépôts salifères, l'exhumation du manteau, le volcanisme,
l'hydrothermalisme, au moment de la formation des tout premiers bassins ?
La mise en œuvre et les projets :
Dans cette nouvelle phase, nous proposons d'investiguer plus avant ces questions relatives à la
dynamique de l'extension et au contexte structural et thermique des premiers bassins sur la TOC, au
travers d'une étude comparative détaillée de plusieurs coupes de référence qui se situent au cœur
(contexte proche de la TOC) de la dépression Afar et à sa périphérie dans les domaines déjà océanisés,
tels que le Sud de la Mer Rouge et le golfe d’Aden.
Carte tectonique synthétique de la région du golfe d’Aden-Afar et sud Mer rouge (Leroy et al 2011).
Profils dont les données ont déjà été acquises (en jaune) et ceux en projet d’acquisition pour la phase 2 (en
rouge).
L'approche que nous envisageons de développer repose sur l'implication d'équipes et de projets multidisciplinaires de façon à :
- mettre en évidence les relations entre structures tectoniques, natures et sources mantelliques du
magmatisme au cours de l'extension sur les marges Ouest-Afar, djiboutiennes et érythréennes.
- préciser la nature et la structure profonde de la croûte le long de ces segments qui sont à des stades
contrastés d'amincissement et d'océanisation, par l’acquisition de données géophysiques le long de
coupes judicieusement choisies.
- imager et modéliser la nature du manteau et son héritage structural au sein et à la périphérie du
panache mantellique pour mieux contraindre son contrôle sur la segmentation ;
- investiguer le contexte structural, sédimentaire et thermique (flux et hydrothermalisme) dans les
bassins à terre autour des segments magmatiques de la dépression Afar et les bassins offshore des
marges érythréennes et yéménites
- identifier et comprendre la nature et le calendrier des mouvements verticaux pour mettre un cadre et
modéliser l'héritage morphologique des différents segments lors de leur dissection pour remplir les
bassins depuis le syn-rift jusqu’à la TOC ;
- mettre en évidence le rôle des fluides (magmas et fluides aqueux) dans la mécanique de l'extension et
leur implication dans la structure et le fonctionnement des segments.