Relationship between active deformation, rheology and magmatism in a continental rift context : Seismological study of the North Tanzanian Divergence, East African Rift
Relations entre déformation active, rhéologie et magmatisme dans un rift continental : Etude sismologique de la Divergence Nord-Tanzanienne, Rift Est-Africain
Résumé
Rifting a continent requires sufficient tensional stresses to deform continental plates (far-field plate motions, asthenospheric upwelling, traction form asthenospheric convection) and is controlled by different factors as rheology and lithospheric inheritance. Magmatic (dyking) and tectonic (faulting, aseismic creep) processes are involved in this deformation and their relative importance is not well known and appears to change from one rift to another. The North Tanzanian Divergence (NTD), East African Rift, offers quite favorable conditions to better understand how these processes and factors interact : indeed, it represents the early stage of rifting and is characterized by a sharp change of volcanic and morphotectonic styles. From a local seismological network deployed for 6 months in the NTD (35 stations, SEISMO-TANZ'07), we have recorded earthquakes in order to study their triggering mechanisms, crustal strength, strain and stress fields, and seismic anisotropy. Earthquakes are essentially clustered in the NTD central branch, south of lakes Natron (south of Gelai volcanoe) and Manyara. Magmatic and tectonic processes are both involved in the deformation observed at Gelai : dyking, aseismic slip, faulting (culmination with a Mw 5.9) in the upper crust. The direction of these geological structures is oblique compared with the ~N-S orientation of the rift and parallel to the NE-SW inherited structures, where the rift is partially developping (Eyasi rift). The Manyara cluster is deep (~20-35 km) and associated with significant NE-SW strike-slip faulting. It illustrates the south/southwest rift propagation along the Natron-Manyara-Balangida central branch and the craton buried contact. The minimum principal stress in the area is WNW-ESE and the associated stress field is transtensive. Fluids may play a significant role in the triggering of this deep and long lasting seismic sequence. The influence of the structural inheritance on the magmatic and tectonic processes is also observed at lithospheric scale through the study of the seismic anisotropy. Three main points are underlined by our results : (1) inherited listhopheric structures (rheological contrast, crustal and upper mantle fabric) exert a major control on the location and early expression of the continental rifting; (2) the depth distribution of earthquakes well indicates the rheological properties of the crust (brittle-ductile transition); (3) even in the earliest stages of rifting, magmatic processes seem to play a strong role in the accommodation of extension, in addition to tectonic processes.
Les rifts continentaux résultent de l'action de contraintes extensives dont la magnitude est suffisante pour déformer un continent (forces aux limites des plaques, mouvements asthénosphériques). Cette déformation, contrôlée notamment par la rhéologie ou encore l'héritage structural lithosphérique, se réalise par des processus magmatiques (“dyking”) et tectoniques (rupture sur faille et étirement ductile) dont l'importance relative est mal connue et variable d'un segment de rift à l'autre. Afin de mieux comprendre comment ces différents facteurs et processus interagissent, la Divergence Nord-Tanzanienne (DNT) apparaît comme une cible privilégiée du Rift Est-Africain : elle représente un stade précoce du rift et montre une transition abrupte dans le style morphotectonique et l'expression du volcanisme. Cette étude a consisté à déployer un réseau sismologique local dans la DNT et à exploiter les données issues de l'enregistrement continu de l'activité sismique pendant 6 mois (campagne SEISMO-TANZ 2007). Les signaux des séismes proches et lointains sont utilisés comme indicateurs de la sismogénèse, de la résistance crustale, des champs de déformation et de contraintes, et renseignent aussi sur la structure et la fabrique (anisotropie) lithosphérique. La sismicité est essentiellement localisée dans la branche centrale de la DNT, au sud des lacs Natron (sud du volcan Gelaï) et Manyara. La crise sismique observée à Gelaï illustre la co-existence de processus magmatiques et tectoniques, avec la mise en place d'un dyke et le comportement à la fois asismique (glissement lent) et sismique (séisme de magnitude Mw 5.9) de failles normales. Les structures géologiques mises en jeu dans cette crise sont orientées NE-SW, obliques à l'axe ~N-S du rift dans la zone. Cette direction est parallèle à la fabrique tectonique antérieure qui est ré-empruntée par le rift Cénozoïque (faille Eyasi). A Manyara, les séismes sont remarquablement profonds (~20-35 km) et révèlent un décrochement sénestre sur un plan NE-SW. Ils illustrent le développement du rift vers le sud/sud-ouest sur la branche centrale Natron-Manyara-Balangida, au contact du craton tanzanien en profondeur. La contrainte principale minimum calculée dans la zone est orientée WNW-ESE et le régime tectonique local associé est transtensif. Il est fort probable que des fluides soient associés au déclenchement de cette séquence sismique profonde et de longue durée. L'influence de l'héritage structural dans l'expression des processus magmatique et tectonique accommodant la déformation s'observe aussi à l'échelle lithosphérique, par le biais de l'anisotropie sismique. Nos résultats soulignent 3 points majeurs: (1) les structures lithosphériques héritées (contrastes rhéologiques, fabriques crustale et mantellique) exercent un contrôle majeur sur la localisation et l'expression précoce du rifting continental; (2) la distribution des séismes en profondeur apparaît être un bon révélateur des propriétés rhéologiques de la croûte (transition fragile-ductile); et (3) dès le stade du rift immature (où la croûte est peu étirée), les processus magmatiques semblent jouer un rôle prépondérant dans l'accommodation de la déformation, en étroite interaction avec les processus tectoniques.