Structure profonde et évolution du Nord du golfe d'Aden oriental : sismique réfraction et modélisation thermomécanique - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2010

Deep Structure and Evolution of the Northeastern Gulf of Aden Margin From Wide-Angle Seismic and Thermomechanical Modelling

Structure profonde et évolution du Nord du golfe d'Aden oriental : sismique réfraction et modélisation thermomécanique

Résumé

The Gulf of Aden is a young oceanic basin which separates Arabian from Somalian plates. The present-day opening velocity is about 2 cm/yr. Continental rifting began at 35 Ma and sea oor spreading at least at 17.6 Ma. The western passive margins, close to the Afar hotspot, are volcanic, while they are non-volcanic in the East. The conjugate margins are relatively young and associated to a thin sedimentary cover ; this makes them easy to correlate. So, the study of the deep structure of the northeastern Gulf of Aden margin and the thermomechanical modelling applied to the eastern Gulf of Aden are simpli fied. The Gulf of Aden is divided into three parts (western, central and eastern) by a first-order segmentation (Shukra-El-Sheik and Alula-Fartak transform zones). In the eastern Gulf of Aden (between Alula-Fartak fracture zone, in the West, and Socotra-Hadbeen fracture zone, in the East), the northern margin is segmented into three second-order segments : Ashawq-Salalah, Taqah and Mirbat. These segments are separated by accommodation zones. The Encens survey (Leroy et al., Feb.-March 2006) allowed the acquisition of bathymetry, gravity, magnetism, refl ection seismic and refraction seismic along the northeastern Gulf of Aden margin. Processing and interpretation of refraction seismic and gravity along the Ashawq-Salalah segment provided new insights into the deep structure of this margin. The continental crust thinning occurs along a distance of about 50 to 100 km and thinning factors range from 3.2 to 5.3. These thinning factors allow the crust to become totally brittle. Thus, seawater can penetrate in depth along faults and serpentinise the upper-mantle at the ocean-continent transition (OCT). The oceanic crust thins from the segment centre (10 km) to the Taqah segment boundary (5.5 km). This is probably due to a variation of magma supply along the oceanic paleo-ridge. The OCT is narrow (ca. 15 km) and we observe an anomalous velocity and density body at the crust-mantle interface (P-wave velocities range from 7.6 to 7.8 km/s and density is about 3.1 g/cm3). Its maximum thickness is approximately 5 km. This body is interpreted as mafi c underplating and/or intruded lower crust, linked to the presence of a volcano in the OCT domain. These structures linked to a melting anomaly are post-rift. The velocity structures of this segment show no evidence of upper-mantle serpentinisation. This is probably due to the fact that the post-rift magmatism may have erased the geophysical evidences of serpentinisation. Thus, this nonvolcanic margin shows magmatic features. However, the volume of magmatism is less important than observed along volcanic margins (e.g. Vøring margin) and it is related to a post-rift melting anomaly. The rifting stage was most probably amagmatic. Thermomechanical modelling is realised to determine the in uence of key parameters on the timing of the rifting and the evolution of passive margins : erosion/sedimentation rates, water column pressure, crustal strength, tectonic inheritance, lithosphere-asthenosphere density contrast, lithospheric thermal age and mantle lithosphere rupture criterion. The main results show that : (1) the lithosphere-asthenosphere density contrast control the continental crust flexure and the seafl oor depth ; and (2) the mantle lithosphere rupture criterion controls the strain localisation, and as a consequence the margin geometry and the timing of the rifting. Comparison with our knowledge of the eastern Gulf of Aden allowed us to constrain the initial geometry, rheology of the Afro-Arabian plate, the boundary conditions and the evolution of the rifting that lead to the present day geophysical and geological characteristics observed in this basin. This model shows that mantle partial melting can occur at the crust breakup. The produced melt can dike to the surface and generate oceanic crust. Thus, OCT may be narrow and composed of exhumed continental mantle. The post-rift thermal anomaly observed from geophysical data is not modelled here because this implies a 3D sight which is not available with elasto-visco-plastic modelling yet. In 2D, these thermomechanical modelling works bring to the fore the processes leading to the OCT formation along a non-volcanic margin.
Le golfe d'Aden est un bassin océanique jeune séparant la plaque Arabe de la plaque Somalienne à une vitesse d'environ 2 cm/an depuis au-moins 17,6 Ma, moment du début de l'accrétion océanique ; le rifting ayant débuté il y a environ 35 Ma. Les marges continentales du golfe d'Aden sont volcaniques à l'Ouest, près du point chaud Afar, et non-volcaniques dans la partie orientale du golfe. Encore proches, du fait de leur jeunesse, les marges conjuguées sont facilement corrélables et de plus, elles sont relativement peu sédimentées. Ainsi, l'étude des structures profondes de la marge Nord-orientale du golfe d'Aden et la modélisation thermomécanique appliquée au golfe d'Aden oriental sont simplifiées. Le golfe d'Aden est divisé en trois parties (occidentale, centrale et orientale) par une segmentation de premier ordre (par les transformantes de Shukra-El-Sheik et d'Alula-Fartak). Dans la partie orientale du golfe d'Aden (entre les zones de fractures d'Alula-Fartak à l'Ouest et de Socotra-Hadbeen à l'Est), la marge nord est segmentée au deuxième ordre en trois segment appelés Ashawq-Salalah, Taqah et Mirbat, séparés par des zones d'accommodation. L'acquisition de données de bathymétrie, gravimétrie, magnétisme, sismique réflexion et sismique réfraction sur la marge nord-orientale du golfe d'Aden a été effectuée lors de la campagne Encens (Leroy et al., Février-Mars 2006). L'exploitation et l'interprétation des données de sismique réfraction et de gravimétrie sur le segment d'Ashawq-Salalah ont permis d'imager la structure profonde de la marge. L'amincissement de la croûte continentale se produit sur une distance de 50 à 100 km, les facteurs d'amincissement variant de 3,2 à 5,3. Ces facteurs d'amincissement sont alors suffisant pour que la croûte devienne totalement cassante. Ainsi, l'eau peut pénétrer en profondeur à la faveur de fractures provoquant la serpentinisation du manteau supérieur à la transition océan-continent (TOC). L'épaisseur de la croûte océanique diminue du centre du segment (10 km) vers sa limite avec le segment de Taqah (5,5 km). Cette observation est reliée à une variation d'apport magmatique le long de la paléo-ride océanique. La TOC est étroite (environ 15 km) et on observe en base de croûte un corps à vitesses et densités anormales (vitesses des ondes P entre 7,6 et 7,8 km/s et densité de 3,1 g/cm 3), d'épaisseur maximale d'environ 5 km. Ce corps est interprété comme du sous-plaquage et/ou de la croûte intrudée par du matériel magmatique relié à la présence d'un volcan dans le domaine transitionnel. Ces structures liées à une anomalie de fusion, sont datées d'âge post-rift. Les structures en vitesses de ce segment ne montrent aucune preuve de serpentinisation du manteau, probablement parce que les indices géophysiques de serpentinisation ont pu être effacés par la présence de magmatisme post-rift. Ainsi cette marge non-volcanique montre des évidences de magmatisme, dont le volume observé est cependant moins important que celui des marges volcaniques, et il est en outre associé à un évènement thermique post-rift. La phase de rifting est donc bien amagmatique. La modélisation thermomécanique est réalisée afin d'étudier l'influence sur la chronologie du rifting et l'évolution des marges conjuguées de plusieurs paramètres tels les taux d'érosion/sédimentation, la pression de la colonne d'eau, la résistance de la croûte, l'héritage tectonique, le contraste de densité entre la lithosphère et l'asthénosphère, l'âge thermique du craton et enfin le critère de rupture dans le manteau lithosphérique. Les résultats majeurs montrent que : (1) le contraste de densité entre le manteau lithosphérique et le manteau asthénosphérique gouverne la flexure de la croûte continentale et la profondeur du plancher océanique ; et (2) le critère de rupture dans le manteau lithosphérique contrôle la localisation de la déformation, et de cette manière, la géométrie des marges conjuguées et la chronologie du rifting. La synthèse de ces travaux et les observations disponibles sur le golfe d'Aden ont permis de contraindre les paramètres initiaux qui ont permis la formation et le développement du golfe d'Aden observé aujourd'hui et ainsi de proposer un modèle pour la formation et l'évolution du golfe d'Aden oriental. Ce modèle montre que la fusion partielle du manteau peut se produire au moment de la rupture continentale. Les produits de la fusion partielle peuvent alors " remonter " en surface et de la croûte océanique est susceptible de se former. De cette manière, la TOC peut être constituée de manteau continental exhumé, et être étroite. L'anomalie de fusion post-rift observée grâce aux données géophysiques n'est pas modélisée ici, car elle implique une vision 3D non encore disponible en modélisation thermo-mécanique visco-élasto-plastique. Même en 2D, les travaux de modélisation thermomécanique réalisés apportent une lumière nouvelle sur les processus conduisant à la formation de la TOC d'une marge non-volcanique.
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Dates et versions

tel-00986994 , version 1 (05-05-2014)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00986994 , version 1

Citer

Louise Watremez. Structure profonde et évolution du Nord du golfe d'Aden oriental : sismique réfraction et modélisation thermomécanique. Géophysique [physics.geo-ph]. Université Pierre et Marie Curie - Paris VI, 2010. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00986994⟩
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