Structure, age et origine des fosses arriere-arc des

OCEANOLOGICA ACfA 1990 -VOL. SPÉCIAL 10 ~
~---~
Structure,
A • •
age et ongme
Fossé arrière-arc
Tectonique d'extension
Graben
des fossés arrière-arc
des Nouvelles-Hébrides
(Sud-Ouest Pacifique)
Back-arc trough
Extensional tcctonics
G""'"
RÉsuMÉ
Jacques RÉCY a, Bernard PELLETIER a, Philippe CHARVIS b, Martine GtRARD c,
Marie-Claire MONJARET d, Patrick MAILLET a
a
ORSTOM, B.P. A5, Nouméa cedex. No uv elle Calédonie.
b Antenne ORSTOM. Laboratoire de Géodynamique -B.P. 48, 06230 Villefranche-sur-Mer.
c ORSTOM _ 70-74. route d'Aulnay, 93143 Bondy Cedex, France.
d
ORSTOM /UBO _ Centre ORSTOM de Brest, B.P. 70, 29263 Plouzané.
Reçu le 1 5/09/89, révisé le 17!fJ7/90. accepté le 19/07/90
La région à l'arrière de l'arc des Nouvelles-Hébrides se caractérise, au nord el au sud. par des
fossés parallèles à la direction géné rale de l'arc qui s'interrompent au niveau des Nouvelles-
Hébrides Centrales. L'absence de fossés
est à J'évidence liée à un régime de contraintes en
compression résuilant de la transmission, jusqu 'à l'arrière de l'arc, des effets de la collision
de la ride d'Entrecasteaux avec l'arc fronlal avant sa subd uction.
Les fossés
du Sud sont constitués d'un ou de deux grabens orientés N130o-l40° dont la
largeur ne dépasse pas 50 à 60 km, alors que les fossés du Nord se présentent comme une
succession de horsts, grabens
et hémi-grabens o ri entés N-S et élalés su r 70 km de largeur. Si
la l oca lisa ti on et la direction générale des fossés (N 15 0") indiquent que l eur structuration est
globalement guidée
par la subduction, leur direction d'extension (N4Q" -45°) es t clairement
oblique s ur la direction de l'arc et ne semble donc pa s reli ée exclus i veme nt à celte
subduction.
L'absence à panir de 2,6-2,2 Ma de volcanisme tholéiitique d'arc dans la série volcano-
sédimenta ire affleurant le long des escarpeme nts orientaux des différents fossés, est
considérée comme une indication du début de la structuration en horsts et grabens dans le
domaine arrière-arc. La géométrie du remplissage indique que l'activité tectonique liée à la
structuf'dtion des fossés a été continue et qu'elle a connu des phases paroxysmales (au moins
deux après la phase d'initiation). Elle semble encore aclive. L'épaisseur du remplissage
séd imentair e des h ém i -grabe ns des fossés du No rd est compatib le avec l'âge Pliocène
supérieur (2,6 à 2 Ma), avancé pour le début de la tectonique.
Les caractéristiques géochimiques des laves indiquent qu'elles s'ordo
nn ent plus en fonction
de leur situation dans une province géochim ique donnée de l'arc, que par rapport à leur
appartenance au système des fossés. Toutcfois, dans le fossé de Vanikoro, au nord, un
volcanisme hypopotassique acide, diffus et actif depuis 1,8 Ma, pourrait être associé à un
début
d'ouvenure punctiforme.
La formation des fossés semble résulter de réajustements consécutifs à la réorganisation vers
3
Ma de J'ouverture océanique du bassin nord-fidjien, qui, depuis cette époque, se poursuit
hors
du contrôle du phénomène de subductio n.
Oceonologica Acta, 1 990, volume spécial 10, Actes du co lloqu e Tour du Monde J ean
Charcot, 2-3 mars 1989, Paris, 43-60.
165

J. RÉey el ai .
ABSTRACT
INTRO DU C TI ON
Struc tu re, age a nd orig in of th e New Hebrid cs ba c k ~a r c troughs (s oulhwest
Pac ifi c)
The New H eb ri des ba ck -arc trou ghs are restrÎcted 10 the southem a nd northem rear of the
arc.
La ck of trough in th e cent ral part is related 10 the compression induced by th e co ll ision
of the d'Entrecasteaux
rid ge and t he New He br ides arc.
The
SQu thcm tr oughs are 50-60 km wid e and are co mpo se<! of one or two grabens striking
NI30-140°. w hi le th e northem troughs ex te nd over 70 km wide and arc composed of a
s
uc cession of N-S trcnding graben s, horsts and half-grabens. Alt ho ugh th e loca ti on and the
main tre
nd (N 1 50°) of th e troughs indicate th at th ey arc largcly guidcd by th e subduc ti on,
th e direction of extension (N40-45°) is clearly oblique 10 the volca ni c line an d t hu s does not
seem related
to the sutxluction process.
La ck of island arc tholeiitic lavas in the voJcanoclastic scries outcropping along the eastem
scarps of
th e differcnt tro ug hs s in ce 2.6-2.2 M a, can be cons id crcd as an ev id ence of th e
ini
ti ation of the troughs st ru c lUra tion, whi ch is not necessary synchronous ail along th e
ba ck-arc domain. T he ge ornetry of t he sedirnemary filling indicatcs that th e ba ck arc trough
tcclOnic s h as been continuous with accelerated phases underlincd by unconfonnities (at least
two after the initiation of the t
ro ughs fonnation ); it is s ti ll active. The thi ckness of th e
sedimema
ry fillîng ins ide the half grabens of th e nonhem troughs is in good accordance
w
ith th e Upper Pliocene ( 2.6 -2 Ma ) age proposed for th e onset of th e ex t en sionaltcctonies.
Geochemic
al characte ri s ti cs of the la vas of th e tr ou ghs indicate that this volcanism is more
cl osely rela t ed to different geochemical provinces of th e arc r at ll er than affiliatcd w it h th e
troughs tectonics. Howe
ve r, a low-K acid volcanism emplaced since 1. 8 Ma could be
associated w
ith pun ctifonn initiation of opcning in th e nonhem troug h.
Fonnation of th e New Hebrides ba ck-arc re s ul ts from extensional tectonics i ndu ced by a
m
aj or reorganization at 3 Ma of th e seanoor spread in g of th e No nh Fiji bas in , whi ch
appears s
in ce Ihi s time to be developped i nd epende ntl y of the su txl uction process.
Oceanologica Ac /a , 1990, volume spécial 10, Actes du colloque Tour du Monde Jean
Charcot, 2-3
ma rs 1989, P aris , 43-60.
L'arc des
No u ve ll es-Hébrides ( fi g. 1) s'allon ge du nord
au sud s ur 1 400 km ; il est bordé à l'est par un bassin
mar ginal , le bassin nor d-f i djien . L'en se mble a été
pr ése nté co mme co nf orme aux autres systèmes a rc-
bassin margi nal du Pacifique Occidental malgré quelques
traits pa
ni culie rs (Karig and Mamme ri c kx . 1972 ), dont
l'orig
in a lit é est ap parue de plus en pl us marquée au fur ct
à mes ure de l'évoluti on de s travaux:
ma gmatisme ac tu el est semblable à celui d'une dorsale
océanique classique de type EPR (East Pacific
Ri se) et
pr ése nt e peu de li ens de pare nt é avec le ma gmatisme de
type
BAB ( Ba ck-Arc Basin) ( Ei sscn el al., 19 86, 19 87 ct
1990; Auzende el al . .I988).
• La rég ion il l' arrière de l'arc des No u ve lle s- Hébrides est
car a ctér i sée au nord et au sud par des f ossés qui
n' exi ste nt pa s dans la ré gion centrale ( fi g. 1 ). La présence
de te
ll es structures d 'ex tension situées entre un e zo ne de
su
bd uc ti on active ct un bassin océanique actif en position
de
ba ss in marginal confère à l'arrière-arc des Nouve lle s-
Hébrides
un caractère partic ul ie r qui n'existe pas dans les
autres systèmes de marge active associée à
un ba ss in
ma rg i nal a rri ère-arc.
• Le ba ssin no rd - fid jien est paniellem ent situé entre deux
zone s de sub ductio n actives, ce lle des Nou'lelle s-
Hébrides à l'ouest et celle des Tonga à J' est (fig. 1).
• Le ba ssin nord-fidjien est anonnalement largc Ct sa
fomle en tri angle équilatéral est soulignée par l'arc des
Nouvelles-Hébrides à l'ouest, la zone de fracture de
Hu nt er au s ud et par la fo sse inactive du VitÎaz au no rd
( fi g. 1).
• L'axe d 'ex pans ion actif du bass in nord- fidji en s'allon ge
sel on des dir ections N-S à N 100E da ns la partie
méridionale du bassin (Auzende el al .. 1986
et 1988a).
très obliques par rapport à
[a direction N 160° de J'arc
des Nouvelle s-Hébrides. Plus au nord l'axe a une
direct
ion N 1600 E. 11 est situé 300 km à l'est de la panie
la plus profonde
de! la lithosphère plongeante ( fig. 1). Le
166
L'origine des fossés a rri ère-arc, leur h is to ire et leur rô le
dans
le cadre géodynamique régional font l'objet de ce tt e
étude.
Si l'existence de ces fo ssés a été découvene depuis
plus de vingt
an s ( Pu ech ct Reichenfcld, 19 68 et 1969),
leur
reconna i ssa n ce a progre ssé lentement et leur
terminais
on no rd re ste encore in connue (fig. 2 ). Il s o nt
d'abord été assimilés (Karig et Mammerickx, 1972 ) à une
sé ri e de structures inter-arc en échelon présentes tout au
long de J'arc, y co mpris dans sa panie centrale où le
ba ssin d'Aoba est con si dér é comme l'équivale nt des
fo ssés du nord et du s ud appelés aussi fo ssés du Co ri olis

,,,. ,
VANUATU
Figure 1
LES FOSSÉS ARRIERE-ARC DES NOUVELLES-H ÉB RIDES
, ... ,
•
OCE AN
PA CIFIQUE
,.,
".,
Le système arc-fosse des Nouve ll es-Hébrides et le bassin nord-fidjien dans le Sud-Ouest Pacifique. Us Structures
tectoniques principales sont représentées en valt fon.
New lI ebrùlcs ure'lrer/ch syslem aM Norlh-Fiji basir/ ir/lhe Sowhwesl Pacifie. Main leetonie/ea/ures an SMWr/ in
heavy /ir/es.
Fi gure 2
T,nAkula
~'!''''"' VOT TAN OE
CAn~ d~ loa l, ul,on dr~ pfo" '~ d~ lA
~ P'o'.I~ d~ '~<onn.,sun<~
aASSIN
NORD fiDJIEN
" d· .... mO<ym
~ S~ <,put d~ I ~.~S bAlhym~'f;qU . ~ sys l~mA';qu~s
~ fos.~s a,, ; ~, ~ A t<
Situation des fossés arrière-arc des Nouvelles·Hébrides el tracé de la croisière Seapso 2.
Location of/he bad ·arc Iroughs 0/ New ffebrides aM ship ,raeu of /he Seapso:Z cruis e.
1 67

J. RËCY et al.
(fig. 2). lis ont ensuite été décrits comme des sl ru c lUre s
"cominues en dems
de scie" à l'arrière des panics nord el
du s ud de l'arc. imerrompues au niveau des Nouvelles-
Hébrides Cemrales. entre 14 °S el 18 °S (Dubois CI al ..
19 75. 1978) ; en effet , pour ces derniers aUleurs. le
bassin d'Aoba
si tu é cntre les îles des Nouvelles-Hébrides
Centrales (fig. 2) ne peut être assimilé à
un fossé arrière-
arc. La linéarité d'ensemble des foss6s du sud (Daniel,
19
82) et l'individualisation d'une sé ri e de dépressions
sépa r ées par des seu il s (Monzier el al .. 1984) ont été
étab li es p lu s récemmen t. Quant aux fossés du nord, leur
r
epré s entatio n ( Katz ct D an i el, 1 981) est restée
longtemps u ès schématique et une description à peu près
cohér e nte j us qu 'à 1 2°N n'a pu en ê tre fait e que
récemment grâce aux données dcs campagnes Seapso 2
(fig. 2), (Récy et al .. 1986), Multipso, Eva
13 et Eva 14
(Charvis et Pelletier, 1989), menées en 1985 et 1987 par
le NID J ea n Charcot ct en 1986 et 1987 par le NID
Corio li s.
Différentes imerprétations ont été proposées co ncema nt
l'origine et l'âge des fo ssés arrière-arc des Nouvelles-
H ébrides bien que leur morphol ogie et le ur structure
aient longte mp s été tr ès imparfaitement connue s,
notamment ce
ll es des fossés du nord considérés a priori
com me l' équivalent des fossés du sud. P our Karig et
Mamm er i ckx (1 972). les fo ssés ar ri ère-arc résultent
d'
un e extension perpendiculaire à l' arc, associée à un
couli ss age dextre parallèle à l'arc, res ponsable de la
disposition en éc helon . Pour Mall ic k (1973) qui
distingue les bass in s int er-arc du nord (fossés du nord et
bassin d'Aoba)
et les bass in s intra- MC du s ud ( fo ssés du
Co ri oli s), se uls les premier s sont le résultat d'une
ou verture qui a débuté à l'or ée du Quaternaire. Pour
Lu
ye ndyk et al. (1974). ces fo ssés r eprésentent de s
bassins inter-arc à
un stade très juvé nile, ceux du nord
étant à un stade encore plus primitif de développement
que ceux du s
ud . Dubois el al. (1975, 1978) interprètent
le s f ossés arrière - ar c co mm e une co n sé quen ce de
l' existence de cellules de convection de faible amplitude
li
ées au mouvement de la Iilhosphère plongeante. Les
effets de ces ce llules de convection apparaissent en
surface dans les zones déjà fragilisées par
l' existence de
failles tr'.mscurrentes. Dubois
et al . ( 19 78) décrivent dans
les
fo ssés du Coriolis, une Ii néation magnétique axiale
qui serait liée à l'intrusion de maté
ri el volcanique. Mais
celte anoma lie m agné tique ne sem b le pas lOujours
présente (Daniel, 1982) et s on existence n 'a pas été
co nfinnée par les données récentes (Récy ct al., 1986).
De plus. aucune remontée imponante de matière dense
ne peut être mi
se en évidence sous les fossés du s ud
(Collol el Malahoff. 1982).
Aucun argument ne pennet d'affinner l'existence d'une
ac ti vité magmatique de type " ba ss in arriè r e-a rc" au
ni veau des fossés du Co ri o li s (Va ll ot. 1984). Pour Co ll ot
et af. (1985), le poinçonnement de la partie ce nt rale de
l'arc par
la ride d'Entrecasteaux i nd uit des contraintes
dont les composantes d'extcnsion au nord et au sud
pourra ie nt être à l'origine de la fonnation des fo ssés.
168
Les levés Seabeam paniels. réalisés durant la campagne
Seapso 2 sur les fossés du s ud et une panie des fo ssés du
nord (fig. 2), ont
pennis d'établir que l'arrière-arc des
Nouvelle
s- H ébride s est caracté ri sé par deux région s
st
ructur ées en hor sts el grabens au nord et au sud,
encadrant une zone centrale clairement affectée par de la
compression (Récy et al. 1986
). Ces auteurs décrivent un
imponant volcanisme associé aux fossés et propo se nt
que l'extension orientée N 30° -
4QoE représente un stade
initial
de rifting sans pour cela évoquer une quelconque
évolution vers
un stade de bassin marginal dans la zone
étudiée pendant la croisière.
En intégrant également les
données plus récentes des campagnes Multipso. Eva 13
et Eva 14, Charvis et Pelletier (1989) proposent que les
fossés arrière-arc des Nouvelles-Hébrides représentent
des zones d'extension
li ées à une réorga ni sation récente
de l'accrétion océanique du bassin nord-fidjien, et dont la
locaJisation est aussi conditionnée par le poinçonnement
de la ride d'Entrecasteaux.
Le pr
ése nt arti cle a pour amb ition de présenter une
synth
èse des résultats concerna nt la géophys iqu e, la
géologie structurale,
la str'dtig ra phie. la pétrographie, la
géochronologie et la micropaléontologie, publiés ou en
cours de publication, obtenus sur les fossés arrière-arc
des Nouvelles-H
ébr ides dans le cadre de la campagne
Seapso 2 et des campagnes compléme
nt aires Multipso,
Eva 13 et Eva 14. Trois domaines de l'arc seront é
tu diés
successivement: le domaine centra
l. où n'apparaît aucun
indice d'extension. s'opposant à la panie sud. caractérisée
par les
fo ssés du Co ri olis, et à la panic no rd, où SO nt
développés les fo ssés du nord ( fi g. 2).
LA ZONE CENTRALE DE L'ARRIERE-ARC
DES NOUVE LL ES- HÉB RIDES (M AE WO
PENTECO
TE )
La panic centrale de l'arc des Nouvelles-Hébrides entre
14 ° et 17 °S subit dans son ensemble des défonnalions
com pressives se traduisant par la surrecti on des îles
occidentales (Santo et Mallicolo) et orientales (Pentecôte
et Maewo), de grandes fractures rayonnantes (Collot,
1985) ct des structures plica
ti ves qui affectent la bordure
orientale du bassin d'Aoba (Daniel et al., (939 ). La
campagne Seapso 2 a
mi s en évidence la transmission de
ce régime de l'avant·arc jusqu'à
la région arrière-arc. A
l'est de la ride Maewo - Pentecôte, le passage au bass in
nord-fidjien se fait par une pente abrupte et régulière
jusqu'à 3
000 m de profondeur. En pied de pente, des
défo rm atio ns compressives de fa ible ampleur se
caracté
ri sent par des plis vi sibles sur la bathymétrie ct
par de petits chevauchements à vergence Est. mis en
évidence s ur le s profils de sis mique réflexion . A
l'approche de
la zone de défonnmion. le socle acoustique
du bass
in nord-fidjien semble s'approfondir mai s n'a pu
êlre
ob se rvé jusq u'au pied de l'arc sur le s profils
di spo nible s. La marge orienlale de l'arc s ub it une
tectonique en co mpression se traduisant par la mi se en

pl ace d'un fro nt de chevauchement à vergen ce Est en
pied de pente (R
ée y et al., 1986), paniculièrement ac tif
comme le montre le nombre de méca
ni smes focaux de
séismes superficiels (Pe
ll e ti er et Louat, 1989 ; LouaI et
Pelletier, 1989). Cette tectonique compre ss ive en relation
avec
la subduction de la ride d 'E ntrecasteaux a pe ut -être
été à
l' o ri gine de la struc tu mtion de la ma rge elle-même
au
ni ve au d es îl es de Maewo et Pentecôte.
Les axes de compression des mécanismes au foyer des
25 séismes majeu rs loca li sés pendant la période 1977-
19 88 s'ordonnent en co nv ergea nt vers un centrc
th éo ri que situé au n iveau du co nt act arc 1 ride
d'Entr
ec asteaux (Louat, co mm . pers., fig. 3). Vingt et un
de ces mécanis me s corresponde nt à d es chevaucheme nt s
ct
so uligne nt l'étendue du domaine a rrière -a rc en
compression (Louat ct Pe
ll e ti er. 1989) qui va au nord
jusqu'à la zone de fracture de Hazel Ho
lm e et au s ud
jusqu'à la fracture d'Ambrym qui prolonge vers le bass in
nord-fidjien, la direction NO -SE d'a ll ongeme nt p ri ncipal
de l'île d'Ambrym (
fi g. 2 et 3). Les mécanis me s foca ux
de type coulissage ne so nt observés qu'a ux ext ré mités du
domaine . Ils co r respo nd ent à de s d éc r ocheme nts
sénestres
au ni veau du prolongement occidental de la
fra cture de Hazel Holme et à des décrochements dextres
au niveau de l'île d'Ambrym.
l~l ' ( lU ' 16~ '
I) ' S -
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".
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\.- . C;'
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,- , ,
!- lg un: 3
Di$lribution gt!ographi~ue il J".urihe de Iii parlie centrale de rare des
NOlivelle5 -H t!brk1e5 des t!piœnlrtS des st! ismes superficiels de la p6iodc
1 977-198&, pour lesquels des solutions de mécanisme au foyer onl t!1t!
ca lcu lt!c:s -
1·
AAC de compression pour tes solutions de mt!canismc au foy er en
chevauchement
2- Ale de compression pour tc ~ solulion~ de mécani~mes au foyer en
dt!croche nH.'nl .
Spa tial liiJtrib u/ÎOI/ of ep iu lllers of $lUJllow enrlllqlUJul 11il1 '; ng Il focal
medllJlliJItI sulution und
on 'urrinK ffl)m 1977 /() /988. u/ong t ll e New
lI ebr/du central bock-lm: dontoill.
J- P. ~jlfrom /lrrust"yptfoco/ mt.lrunism SulU/ÎOIIS .
2· P. ~ , jsfrom ufike-sllp focal mtcltonüm sulwlÎQIIS .
169
L ES FOSSËS ARRlERE-ARC DES NOUVELLES-HÉBRID ES
Les No u ve ll es-Hébrides Centrales sont caracté ri sées par
une surrection plus fone que ce
ll e du reste de l'arc, qui a
cu
pour co n sé quen ces des altitudes sommital es plus
él
evées et une plus grande extension d es surfa ces
émergées; cette surrection ano rm ale toujou rs en cou rs
se ra il liée à la s ubdu cti on/co llision de la rid e
d'
En trecasteaux (CO llO I, 1985 ) et aurail co mm e nc é ap rès
3 Ma (C ame y ct M cFa rian e. 19 82) dan s l es îl es
occidentales et orientales. La compress ion arrière-arc a
pu co mm encer à la même époque dans l'hypothèse d'une
structuration de la marge par compression.
LES FOSSÉS DU SUD OU FOSSÉS DU
COR IOLI S
Il s so nt constitués de grabens di scontinus, bien défi ni s
dans les secteurs de Futuna. Erromango et
Vaté; il s se
développent. de 1 7O-Z0' S à l' est de Vat é. jusq u' à 20050'S
où il s se terminent par des structures en échelon (fig, 4),
Le fossé de Fuluna
La partie axiale du fo ssé de Futuna (fig. 4. pl. 1), qui
s'a
ll onge s ur 70 km selon une di rec ti on N 150". constitue
la zone la plus
prof onde des fossés arrièr e-arc des
Nouve
ll es-Hébrid es a vec plus de 3 600 m de profondeur.
La morphologie générale du fossé apparaît simple; il
s'agit d'
un graben très di ssymét riqu e d'envi ro n 30 km de
large dont le
Oan c occidental peu faillé es t modérément
incli né, tandis que le Il anc oriental est consti tu é par un
escarpement abrupt d'au m OÎns 2 000 m, paniculièrement
marqué à l'abord de l'île de Futun
a. Au nord du fossé.
deux édi fi ces volcaniques ci rcu laires so uli gne nt le se uil
qui sépare le fossé de Futuna du fossé d'Erromango
(fi
g. 4 et 5).
Le fo nd du fo ssé es t occu pé par des crêtes di scontinues
peu marqu
ées et or ient ées N I 35°. Cette dire ction
principale.
accompagnée de directions seco ndair es
N155° à N170°, se retrouve sur l es fl ancs, où e ll e es t
conjuguée avec d
es décrocheme nt s N 15 ° à N30". L'axe
des lensions indiquées par les m
éc anismes focaux des
séis
me s superficiels est N37 ° (Pe ll e ti er et Louat. 1989,
lo uaI et Pc ll etier. 1989) ct ce tt e direction d'extension
diffère de 40° de
la dir ec tion de convergence des plaques
N 75°. Le fait marquant est l'absen
ce d' un remp li ssage
sédimentaire horizontal épais dans l'ensemble du fossé
qui traduit la
je un esse de la mo rp hologie ac tu elle. De s
résultats de sismique réfraction i nd ique nt la présence. au
fo nd du fossé. d'u ne sé ri e à faible v it esse de plus de 2 km
d'épai sse ur ( Ponl oi se et al .• 19 82) co nSli tuée
probablement de formations vo l ca no-séd imenta ircs
t
ec tonisées.
Le s laves le s plu s ancie nn es proviennent du dragage 02 1
(fig. 5)
réal isé sur un e d es c rê tes du fond du fossé cntre
3280 el 3150 m de profo rld e ur . E ll es so nt consti tu ées de
basaltes orogéniques à affin
it és tholéiitiques d'arc ou