Oligocene-Miocene evolution of the Gulf of Lion continental margin (Provencal Basin)
Evolution Oligo Miocène des marges du micro océan Liguro-Provençal
Résumé
The Gulf of Lion margin has been created by an Oligo-Aquitanian rifting followed by oceanic accretion in the Provencal basin during the Burdigalian. Two main periods have been detailed in this thesis:
· The Messinian event that needs to be differentiated from earlier strata deposition. The event also represents a clear marker (between 5,96 and 5,33 Ma) within the history of the basin.
· The initial period of margin formation, from the beginning of continental extension (35-30 Ma) to oceanisation (around 20 Ma)
The database for this study has been built using all available data (seismic and wells from industry) on the shelf, the slope and the deep basin of the Gulf of Lion. The gathering of this huge database occurred in the framework of the French GDRMarges program.
The study of sedimentary geometries on the margin and in the deep basin gave new elements for the understanding of the messinian crisis:
· The first element is the identification of a thick detritic series (up to 1000 m) at the transition between the sub aerially eroded shelf and the slope. The base of this series erodes directly the Miocene shelf and corresponds to the first trace of the Messinian crisis in the central basin. This first detritic event corresponds to what we called the « messinian erosional crisis » that brings the shelf to sub aerial erosion, but this occurs far ahead from the deposition of evaporites in the deep basin. A sea level drop of a few hundreds meters can explain the erosion of the shelf.
· The second important element is the identification of a thick stratum of lower evaporites (over 1500 m), between the first detritic episode and the deposition of halite in the deep basin. This event represents the beginning of the «messinian salinity crisis ».
· A third result concerns the flooding of the basin, just after halite deposition associated to the lowest sea level during the crisis. We also identified a submarine surface of erosion related to the transgressive movement of the coast (the ravinement surface). This surface occurs on the outer-shelf-upper-slope between the top of halite deposits and the sub aerial surface of erosion. The transition between the sub aerial erosional surface and this ravinement surface due to waves occurs at a constant depth of 1.6 twtt. This limit represents the position of the shoreline just before a very rapid transgression that fossilised the subaerial surface without further erosion (around 5.3 Ma).
We therefore identified about 3500 m of sediments deposited during the messinian crisis (s. l.) (from the first erosional event to the re-flooding of the basin). The shelf registered a loss of up to 1000 m thick of sediments. This implies enormous amount of sediment transfer from the shelf to the slope and the deep sea. This, in turn, also has strong implications on margin's evolution. First attempts of 1D backstrippings, taking into account our new observations, showed that the basin might have been 3500m deep just before the messinian crisis. A full study of isostatic readjustments related to the messinian event remains to be done; this would bring a better understanding of the reaction of the crust to varying loadings.
The study of crustal structures and early sedimentation in the Gulf of Lion margin showed several major erosional surfaces within the Miocene series that enabled us to conclude that:
· The substratum (Mesozoic and Palaeozoic) is largely eroded. This erosion concerns the entire margin as far (seaward) as the «oceanic zone». This demonstrates a high position of the area, until to the end of the rifting period. This high position is very different from what happens in the Camargue zone where an important Oligocene synrift basin has been described.
· From Aquitanian time (end of the rifting) the break-up occurs but seams to be restricted to a narrow zone of around 50 km. From that time on, the Gulf of Lion subsides.
The questions that arise now are: why has the Gulf of Lion been uplifted and therefore submitted to erosion during the rifting before subsiding? Is this due to tectonic heritage or to the opening of the Provencal basin?
At basin scale, the Sardinian homologous margin is largely depressed between the Iglesiente and the Nurra zones that staid in high position. As in the Gulf of Lion, synrift deposits are poorly developed. This gives us arguments to say that it is really the opening of the Provencal Basin that guides the vertical evolution of the Gulf of Lion.
Those results led us to propose a model for the formation of the Gulf of Lion in three steps. First of all, a deep thermic event keeps the shelf subaerially exposed during early phase of rifting. In a second step, rupture occurs (during Upper Aquitanian, around 20 Ma ago and the first «unusual oceanic crust» (transitional zone) is built. The third step corresponds to the formation of typical oceanic crust at the centre of the basin.
· The Messinian event that needs to be differentiated from earlier strata deposition. The event also represents a clear marker (between 5,96 and 5,33 Ma) within the history of the basin.
· The initial period of margin formation, from the beginning of continental extension (35-30 Ma) to oceanisation (around 20 Ma)
The database for this study has been built using all available data (seismic and wells from industry) on the shelf, the slope and the deep basin of the Gulf of Lion. The gathering of this huge database occurred in the framework of the French GDRMarges program.
The study of sedimentary geometries on the margin and in the deep basin gave new elements for the understanding of the messinian crisis:
· The first element is the identification of a thick detritic series (up to 1000 m) at the transition between the sub aerially eroded shelf and the slope. The base of this series erodes directly the Miocene shelf and corresponds to the first trace of the Messinian crisis in the central basin. This first detritic event corresponds to what we called the « messinian erosional crisis » that brings the shelf to sub aerial erosion, but this occurs far ahead from the deposition of evaporites in the deep basin. A sea level drop of a few hundreds meters can explain the erosion of the shelf.
· The second important element is the identification of a thick stratum of lower evaporites (over 1500 m), between the first detritic episode and the deposition of halite in the deep basin. This event represents the beginning of the «messinian salinity crisis ».
· A third result concerns the flooding of the basin, just after halite deposition associated to the lowest sea level during the crisis. We also identified a submarine surface of erosion related to the transgressive movement of the coast (the ravinement surface). This surface occurs on the outer-shelf-upper-slope between the top of halite deposits and the sub aerial surface of erosion. The transition between the sub aerial erosional surface and this ravinement surface due to waves occurs at a constant depth of 1.6 twtt. This limit represents the position of the shoreline just before a very rapid transgression that fossilised the subaerial surface without further erosion (around 5.3 Ma).
We therefore identified about 3500 m of sediments deposited during the messinian crisis (s. l.) (from the first erosional event to the re-flooding of the basin). The shelf registered a loss of up to 1000 m thick of sediments. This implies enormous amount of sediment transfer from the shelf to the slope and the deep sea. This, in turn, also has strong implications on margin's evolution. First attempts of 1D backstrippings, taking into account our new observations, showed that the basin might have been 3500m deep just before the messinian crisis. A full study of isostatic readjustments related to the messinian event remains to be done; this would bring a better understanding of the reaction of the crust to varying loadings.
The study of crustal structures and early sedimentation in the Gulf of Lion margin showed several major erosional surfaces within the Miocene series that enabled us to conclude that:
· The substratum (Mesozoic and Palaeozoic) is largely eroded. This erosion concerns the entire margin as far (seaward) as the «oceanic zone». This demonstrates a high position of the area, until to the end of the rifting period. This high position is very different from what happens in the Camargue zone where an important Oligocene synrift basin has been described.
· From Aquitanian time (end of the rifting) the break-up occurs but seams to be restricted to a narrow zone of around 50 km. From that time on, the Gulf of Lion subsides.
The questions that arise now are: why has the Gulf of Lion been uplifted and therefore submitted to erosion during the rifting before subsiding? Is this due to tectonic heritage or to the opening of the Provencal basin?
At basin scale, the Sardinian homologous margin is largely depressed between the Iglesiente and the Nurra zones that staid in high position. As in the Gulf of Lion, synrift deposits are poorly developed. This gives us arguments to say that it is really the opening of the Provencal Basin that guides the vertical evolution of the Gulf of Lion.
Those results led us to propose a model for the formation of the Gulf of Lion in three steps. First of all, a deep thermic event keeps the shelf subaerially exposed during early phase of rifting. In a second step, rupture occurs (during Upper Aquitanian, around 20 Ma ago and the first «unusual oceanic crust» (transitional zone) is built. The third step corresponds to the formation of typical oceanic crust at the centre of the basin.
La marge du golfe du Lion est issue d'une période de rifting Oligo-Aquitanienne suivie de l'ouverture océanique du bassin Provençal vers le Burdigalien. Deux périodes ont été particulièrement étudiées au cours de cette thèse :
· L'événement messinien qui constitue un jalon (entre 5,96 et 5.33 Ma) de l'histoire du bassin. Son étude est indispensable à l'interprétation des séries antérieures.
· Et la période de formation de la marge, des débuts de l'extension continentale (35-30 Ma) à l'océanisation (20 Ma environ)
Cette étude repose sur une synthèse de toutes les données (essentiellement industrielles) disponibles sur le plateau, la pente et le bassin profond du golfe du Lion. Cette importante base de données a été rassemblée dans le cadre du GDRMarges (atelier golfe du Lion).
L'étude des géométries sédimentaires sur la marge et dans le bassin profond apporte des éléments nouveaux dans la compréhension de la crise messinienne :
· Le premier élément est l'identification, à la transition entre la plate-forme érodée par les fleuves messiniens et le bassin, d'une épaisse série détritique (jusqu'à 1000 m d'épaisseur). La base de cette série érode directement le rebord de la plate-forme miocène et correspond à la première trace de l'événement messinien dans le bassin. Cet épisode détritique correspond à la « crise d'érosion messinienne » qui intervient avec l'exondation de la plate-forme du golfe du Lion avant l'apparition des premières évaporites du bassin. Une chute de quelques centaines de mètres est suffisante à ce stade pour démanteler la plate-forme miocène.
· Le deuxième élément important est l'identification, entre l'épisode détritique initial et la halite messinienne bien connue dans le bassin, d'une épaisse série à évaporites inférieures (environ 1500 m). Cette période marque le début de la « crise de salinité messinienne ».
· Un troisième résultat concerne le ré ennoiement du bassin juste après le dépôt de la halite messinienne (celle-ci représente le plus bas niveau marin). Nous avons identifié une surface d'abrasion marine, témoin de la transgression de la ligne de rivage, entre les premiers indices de dépôt de la halite et la surface d'érosion fluviatile messinienne. La limite entre cette abrasion marine et la surface aérienne est située à une profondeur constante de 1.6 secondes temps double. Cette limite représente la ligne de rivage juste avant une accélération suffisante de la transgression pour fossiliser la surface d'érosion fluviatile messinienne (autours de 5.3 Ma).
Nous identifions au total près de 3500 m de sédiments déposés depuis la « crise d'érosion messinienne » jusqu'au ré ennoiement du bassin. La plate-forme enregistre quant à elle une perte sédimentaire (due à l'érosion) pouvant atteindre 1000 m. Ces transferts sédimentaires énormes ont des conséquences importantes sur l'évolution de la marge. Les premiers résultats issus d'un backstriping 1D et prenant en considération ces interprétations stratigraphiques suggèrent que le bassin était profond de l'ordre de 3500 m avant la crise messinienne. L'étude détaillée des réajustements isostatiques liés à l'événement messinien reste à faire et nous permettra de mieux comprendre comment réagit la croûte à des contraintes de charge.
L'étude des structures de la croûte et de la sédimentation initiale de la marge du golfe du Lion (avec plusieurs surfaces d'érosions majeures identifiées et datées) nous permet d'avancer les résultats suivants :
· L'ensemble du substratum, mésozoïque et paléozoïque, parait largement érodé. Cette érosion affecte l'ensemble de la marge, pratiquement jusqu'à la zone « océanique ». Une position surélevée de cette zone jusqu'à la fin de l'épisode de rifting est mise en évidence. Cette position haute contraste avec la zone camarguaise où un important bassin synrift Oligocène est connu.
· A partir de l'Aquitanien (fin du rifting), la rupture se produit et semble limitée à une zone étroite d'environ 50Km. L'ensemble du golfe du Lion s'affaisse alors.
La question se pose de savoir si ce golfe du Lion qui a été soulevé et érodé sur toute sa largeur pendant le rifting, avant de subsider, résulte d'un héritage ou s'il doit sa configuration à l'ouverture du bassin Provençal.
A l'échelle du bassin, la marge homologue Sarde présente des caractéristiques équivalentes : toute la zone centrale, homologue du golfe du Lion, est largement affaissée, entre les zones restées hautes de l'Iglesiente et de la Nurra. Comme dans le golfe du Lion, les dépôts synrift parraissent peu développés. Il semble donc évident que c'est bien l'ouverture du bassin Provençal qui contrôle l'évolution verticale du golfe du Lion.
Ces résultats nous permettent de proposer une histoire de la marge du golfe du Lion en trois temps. Tout d'abord un événement thermique profond maintient la plate-forme exondée pendant l'épisode initial de rifting. Dans un deuxième temps la rupture se fait (Aquitanien supérieur, vers 20 Ma) et le premier socle « océanique » atypique (zone de transition) se met en place. Le troisième temps correspond à la mise en place de la croûte océanique proprement dite au centre du bassin.
· L'événement messinien qui constitue un jalon (entre 5,96 et 5.33 Ma) de l'histoire du bassin. Son étude est indispensable à l'interprétation des séries antérieures.
· Et la période de formation de la marge, des débuts de l'extension continentale (35-30 Ma) à l'océanisation (20 Ma environ)
Cette étude repose sur une synthèse de toutes les données (essentiellement industrielles) disponibles sur le plateau, la pente et le bassin profond du golfe du Lion. Cette importante base de données a été rassemblée dans le cadre du GDRMarges (atelier golfe du Lion).
L'étude des géométries sédimentaires sur la marge et dans le bassin profond apporte des éléments nouveaux dans la compréhension de la crise messinienne :
· Le premier élément est l'identification, à la transition entre la plate-forme érodée par les fleuves messiniens et le bassin, d'une épaisse série détritique (jusqu'à 1000 m d'épaisseur). La base de cette série érode directement le rebord de la plate-forme miocène et correspond à la première trace de l'événement messinien dans le bassin. Cet épisode détritique correspond à la « crise d'érosion messinienne » qui intervient avec l'exondation de la plate-forme du golfe du Lion avant l'apparition des premières évaporites du bassin. Une chute de quelques centaines de mètres est suffisante à ce stade pour démanteler la plate-forme miocène.
· Le deuxième élément important est l'identification, entre l'épisode détritique initial et la halite messinienne bien connue dans le bassin, d'une épaisse série à évaporites inférieures (environ 1500 m). Cette période marque le début de la « crise de salinité messinienne ».
· Un troisième résultat concerne le ré ennoiement du bassin juste après le dépôt de la halite messinienne (celle-ci représente le plus bas niveau marin). Nous avons identifié une surface d'abrasion marine, témoin de la transgression de la ligne de rivage, entre les premiers indices de dépôt de la halite et la surface d'érosion fluviatile messinienne. La limite entre cette abrasion marine et la surface aérienne est située à une profondeur constante de 1.6 secondes temps double. Cette limite représente la ligne de rivage juste avant une accélération suffisante de la transgression pour fossiliser la surface d'érosion fluviatile messinienne (autours de 5.3 Ma).
Nous identifions au total près de 3500 m de sédiments déposés depuis la « crise d'érosion messinienne » jusqu'au ré ennoiement du bassin. La plate-forme enregistre quant à elle une perte sédimentaire (due à l'érosion) pouvant atteindre 1000 m. Ces transferts sédimentaires énormes ont des conséquences importantes sur l'évolution de la marge. Les premiers résultats issus d'un backstriping 1D et prenant en considération ces interprétations stratigraphiques suggèrent que le bassin était profond de l'ordre de 3500 m avant la crise messinienne. L'étude détaillée des réajustements isostatiques liés à l'événement messinien reste à faire et nous permettra de mieux comprendre comment réagit la croûte à des contraintes de charge.
L'étude des structures de la croûte et de la sédimentation initiale de la marge du golfe du Lion (avec plusieurs surfaces d'érosions majeures identifiées et datées) nous permet d'avancer les résultats suivants :
· L'ensemble du substratum, mésozoïque et paléozoïque, parait largement érodé. Cette érosion affecte l'ensemble de la marge, pratiquement jusqu'à la zone « océanique ». Une position surélevée de cette zone jusqu'à la fin de l'épisode de rifting est mise en évidence. Cette position haute contraste avec la zone camarguaise où un important bassin synrift Oligocène est connu.
· A partir de l'Aquitanien (fin du rifting), la rupture se produit et semble limitée à une zone étroite d'environ 50Km. L'ensemble du golfe du Lion s'affaisse alors.
La question se pose de savoir si ce golfe du Lion qui a été soulevé et érodé sur toute sa largeur pendant le rifting, avant de subsider, résulte d'un héritage ou s'il doit sa configuration à l'ouverture du bassin Provençal.
A l'échelle du bassin, la marge homologue Sarde présente des caractéristiques équivalentes : toute la zone centrale, homologue du golfe du Lion, est largement affaissée, entre les zones restées hautes de l'Iglesiente et de la Nurra. Comme dans le golfe du Lion, les dépôts synrift parraissent peu développés. Il semble donc évident que c'est bien l'ouverture du bassin Provençal qui contrôle l'évolution verticale du golfe du Lion.
Ces résultats nous permettent de proposer une histoire de la marge du golfe du Lion en trois temps. Tout d'abord un événement thermique profond maintient la plate-forme exondée pendant l'épisode initial de rifting. Dans un deuxième temps la rupture se fait (Aquitanien supérieur, vers 20 Ma) et le premier socle « océanique » atypique (zone de transition) se met en place. Le troisième temps correspond à la mise en place de la croûte océanique proprement dite au centre du bassin.
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