Du rifting continental à l\'expansion océanique PDF

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cours de frank chanier...

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Du rifting continental à l’expansion océanique : Etude intégrée des mécanismes de la séparation des plaques tectoniques [email protected]

Introduction (Historique) : Alfred Wegener a été un des premiers à parler de la théorie de la dérive des continents. L’idée implique que les continents se séparent avec une phase de rifting, provoquant la formation des océans.

Bathymétrie des fonds marins, la première carte établie ressemble déjà beaucoup à celles que l’on connait aujourd’hui, avec les grande failles transformantes…

Aujourd’hui pour étudier la vitesse à laquelle les plaques se séparent et bougent les unes par rapport aux autres, un outil privilégié est la géodésie spatiale (GPS). L’Eurasie est considérée comme fixe, et on regarde les mouvements des plaques par rapport à cette dernière.

I-

Le rifting :

De l’extension continentale à la formation d’une nouvelle limite de plaques tectoniques.

Le rifting – symétrie ou asymétrie : Les premiers modèles qui parlaient du rifting par rapport à l’extension d’un continent ont commencé par dire que lorsqu’on tire sur un continent on forme un rift et un graben au milieu. La lithosphère va s’amincir sous le rift de manière plutôt uniforme : la croute et le manteau lithosphérique s’amincissent proportionnellement. C’est le résultat du modèle de cisaillement pur, qui est symétrique, aussi appelée modèle de McKenzie. Le second modèle est en cisaillement simple et implique qu’une grande faille va traverser toutes la croute voire le manteau inférieur et amincir tout le système de manière asymétrique, il est aussi appelée modèle de Wernicke. Ce sont les deux modèles de base du rifting. Maintenant on compte autant de modèle de rifting qu’il y a de rift sur terre, chacun proposant son propre modèle, qui utilise souvent une combinaison des deux principaux évoqués précédemment.

Rifting – modes d’extension lithosphérique : On va avoir soit un système très centralisé au centre du rift, déformation localisée au centre du système, c’est ce que l’on appelle un rift étroit. Par exemple le Lac Baïkal (qui ne fonctionne plus trop maintenant, le fossé rhénan, le rift est-africain…

On a ensuite ce qui est rift large avec une déformation distribuée sur de grandes distances. Par exemple le cas des Basin&Range, de l’océan atlantique…

Le troisième mode d’extension est celui de core-complex, qui va consister en une extension sur de tellement grandes distances qu’à un moment une faille va pénétrer en profondeur et exhumer des matériaux plus profond. Typiquement si cela affecte une lithosphère continentale on va voir apparaitre des dômes de croute inférieure à la surface. En domaine océanique on aura du manteau supérieur qui va venir à l’affleurement, ce qui va entrainer une réaction de serpentinisation. Pour les exemples on en trouve également dans les Basin&Range, en mer Egée, dans le massif Atlantis…

Exemple d’un rift étroit, le rift Est-Africain :

Autour du point triple des Afars on a un système de 3 rifts qui se rejoignent : la mer rouge (assez jeune), le golfe d’Haden (plus ancien), et le rift est-africain (qui est en pleine phase de rifting). On regarde des coupes à travers le rift où on peut voir la morphologie de failles principales et des bassins à l’intérieur du rift. Cela n’a pas l’air complètement symétrique même si le rift est-africain l’est relativement. Ce point triple est aussi un point chaud, c’est pour cela qu’on pense que ces 3 rifts se sont retrouvés là, servant de point mou. Mécaniquement, c’est beaucoup plus facile pour la ride d’aller se localiser sur un point mou. Dans le rift est-africain on observe toutes les structures typiques du rifting :

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Faille avec épanchement magmatique d’un épisode de rifting majeur qui a eu lieu en 2005, Toute une série de failles normales qui vont finalement être le marqueur de cette extension, Le cratère de Dallol, comme il est au niveau de la mer parfois de l’eau entre dans cette zone pour former un bassin, mais se dessèche à cause de la chaleur. Comme on est dans une zone très volcanique il en reste des sels très colorés… ce cratère est une zone caractérisée par une très grande quantité d’évaporites en même temps que du volcanisme basaltique.

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Le volcan Erta Ale, un des volcans les plus actifs sur terre, et dont la chimie montre vraiment la source mantellique, donc du point chaud.

Ensuite on regarde la sismicité dans cette zone-là. C’est une zone avec une importante sismicité. On a tout ce qui est mécanismes au foyer, la plupart sont de type extensifs. on a beaucoup de faille normales

Rappel sur les mécanismes au foyer On a un mécanisme dextre transtansif. La sismicité générale de la région montre des failles décrochantes qui font le lien entre les différents segments d’extension, c’est une zone de transfert finalement. De la même manière on a plusieurs zones de transfert, c’est un rift assez segmenté.

Parenthèse importante sur la vitesse des ondes P (obtenue par méthode de sismique réfraction, avec des ondes qui se réfléchissent sur une surface géologique, se réfracter).

Sismique réfraction = méthode principale utilisées pour les études jusqu’à l’échelle de la croûte terrestre (jusqu’à des profondeurs de 30 à 50km). On va regarder les temps d’arrivée, et à partir de ces derniers avoir une information sur la vitesse de propagation des ondes P dans les différentes couches sismiques. Si on éloigne fortement le bateau de l’instrument, l’eau qui voyage dans l’eau arrive beaucoup plus tard que l’onde des couches plus profondes. Donc on utilise les temps d’arrivée des ondes sismiques pur calculer les vitesses de propagation des ondes dans les couches géologiques, ce qui nous donne une indication indirecte sur la nature des structures (la vitesse de propagation dépendant de l’altération, la cristallographie…).

Graphique correspondant à la vitesse moyenne des ondes P, les barres correspondent à la fourchette de valeur que l’on peut avoir. Cela pour les roches à environ 20km de profondeur ce qui nous donne un repère.

Structure/ type de roche Sédiments Sel Volcanisme Croûte continentale Croûte océanique Basalte Gabbros Péridotite serpentinisée (100%) Manteau Eau

Vitesses (km/s) 1,6-4,5 4,5-5,5 4,5-5,5 6-7 5,5-7 5,5-6,5 6,5-7,5 5-5,5 >8

1,5 Tableau récapitulatif des vitesses de propagation des ondes selon la structure

Quand les roches du manteau vont entrer en contact avec l’eau de mer, elles vont être serpentinisées (en partie dans un premier temps). L’idée est que si de l’eau peut s’infiltrer en

profondeur et entrer en contact avec le manteau, la vitesse de propagation des ondes sismiques va diminuer si on a serpentinisation.

(voir poly TD) Réalisation d’une coupe schématique interprétative.

LAB : limite asténo/ litho

sous placage magmatique : magma du manteau qui se plaque sous la lithosphère continentale

Un rift large, les Basin and Range :

Observation de la géodésie à grande échelle. Observation de l’extension EW près des Rocheuses. Puis déformation tourne SN en se rapprochant de la faille de San Andreas (faille transformante).

Observations de la sismicité à l’échelle régionale.

Évolution des mécanismes au foyer d’Est en Ouest : -

Quelques rares mécanismes compressifs ou décrochants le long des rocheuses Rares séismes, de faible magnitude, extensifs ou décrochants dans l’Est des Basin an d Range Séismes beaucoup plus nombreux vers l’ouest, proportion de mécanismes décrochants plus importantes (approche de la faille de San Andreas).

Observation de la géodésie :

Compilation de données GPS : observation de l’extension à travers les Basin and Range

(TD)

Du core-complex au sein des Basin and Range : Observation de l’exhumation de la croûte moyenne :

Distribution hétérogène de l’amincissement. Zones blanches = croûte moyenne à l’affleurement.

Parenthèse importante sur la rhéologie : Du grec « rheo » =couler et « logos » =la science Comportements cassants à ductiles, en fonction de : -

Conditions de pression et de température

-

Composition de matériaux, une roche du manteau sera plus résistante qu’une roche de la croûte, elle-même plus résistante que de simples sédiments consolidés. Contraintes et déformations (intensité et vitesse) Présence de fluides …

Comportement de la lithosphère élasto-visco-plastique avec une couplage (ou découplage) entre les différentes couches (modification de la composition entre le diagramme de gauche et celui de droite).

Détermination de la résistance d’une roche sous d’importantes pressions : utilisation de la presse hydraulique.

Parenthèse importante sur les méthodes de modélisation : La modélisation analogique :

La modélisation numérique :

Obliquité du rifting : Carte mondiale des angles moyens d’obliquité -

Obliquité moyenne de tous le rifts (ou marges issues d’un rifting) généralement non négligeable Rare sont les rifts purement orthogonaux Forte variabilité, même le long d’un même rift

Obliquité du rifting - cas du rift Est-Américain :

Modélisation analogique d’un rift orthogonal ou oblique. Influence de la direction d’extension par rapport à l’orientation du futur rift (zone de faiblesse rhéologique) sur les structures (orientation des failles) obtenues après une extension.

Obliquité du rifting - Cas du rift est-Africain : Modélisation analogique – comparaison avec les structures

Rifting actif et passif : Quel type de moteur pour la séparation de plaques ?

Mécanique ? -

Observation d’indices de flexure Apparition de nombreuses failles normales

Thermique ? -

Fort bombardement à l’échelle régionale Apparition rapide de magmatisme en surface

Forte influence sur : -

La réussite d’un rift (a continué jusqu’à la déchirure continentale) La type de structures créées et ainsi observées au niveau des marges (en cas de rift réussi)

-

Propagation et abandon des rifts :

Propagation d’un rift passif : (Mode étirement, amincissement, exhumation)

Abandon d’un rift passif : Une explication par la subsidence thermique : à profondeur et température équivalentes, les roches du manteau sont plus résistantes que celles de la croute. Si le rifting est lent et amagmatique, le rift peut échouer.

Rift abandonné – le fossé Rhénan : Carte de température en profondeur Deux zones où les températures à 5km de profondeur sont >200°C : -

Le massif central (on a un point chaud en dessous) Le fossé Rhénan

Des ressources peu communes en France… Champ pétrolifère de Pechelbronn (au nord du fossé Rhénan). Structure géologiques complexes ; exploitations difficile (pas rentable).

Températures et géologie – détail :

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Présence d’anomalies thermiques le long du fossé du Rhin Par endroits, l’énergie géothermique est utilisée pour la production d’électricité Fossé Rhénan : 30-40km de large/ 300km de long Délimité par de grandes failles normales (bordières) Champs de fractures

Coupe géologique traversant tout le graben : -

Failles bordières majeures Fracturation au sein du rift Volcanisme localisé

Coupe géologique traversant un champ de fractures : -

Bordure ouest du rift Réseau de failles normales Rejet variable

Rift abandonné – le golfe de Gascogne : Carte de relief et géologie simplifiée -

Bassin océanique entre la Bretagne et la péninsule ibérique Existence de bassins mésozoïques (anciens rifts) réactivés dans le contexte de l’orogenèse pyrénéenne. Ride fossile à peu près perpendiculaire à la marge de l’océan atlantique

Carte des anomalies magnétiques : -

Anomalie typiques de croûte océanique (zébrures) Observations de la propagation (marge nord)

Formation, évolution, abandon du bassin :

Rift abandonné – le bassin de Porpucine : Profils de sismique réfraction et proposition d’évolution

Explication par la modélisation numérique :...