Académie de Montpellier Université Montpellier II Master BGAE parcours «Géodynamique»

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1 Académie de Montpellier Université Montpellier II Master BGAE parcours «Géodynamique» Analyse géomorphologique des bassins versants de l Ogooué et du Congo : Quantification de l érosion Cénozoïque et implications sur les flux détritiques vers la marge d Afrique Equatoriale. Christopher LACAN Tuteur : Michel Séranne Soutenu le vendredi 18 Juin 2010 devant un jury composé de : R. Cattin A. Tommasi P. Vernant Tuteur : M. Séranne Rapporteurs : J.E. Hurtrez ; A. Taboada.

2 Remerciements : Je remercie Michel Séranne qui a toujours su faire preuve de clarté, de disponibilité et de confiance envers moi tout au long de ces six mois de stage. Plus qu un travail de recherche intéressant et formateur, il aura su m enseigner la rigueur scientifique. Je remercie également Mlle Sabrina Deville, pour m avoir mis le pied à l étrier d ArcGIS, MM. Jean- Jacques Cornée et Michel Lopez pour m avoir conseillé et encouragé dans mon travail, Mmes Nathalie Mouly et Marie-France Roch pour leur gentillesse et leur aide administrative. Merci à ma famille et aux amis qui m ont soutenu durant ces six mois. Je remercie enfin les personnels du laboratoire Géosciences Montpellier grâce à qui j ai passé cinq années consacrées à la science, la connaissance et la découverte. Sommaire : 1. Introduction Contexte géographique et géologique de la zone d étude Localisation géographique Caractéristiques climatiques et sédimentaires de la région étudiée Géologie des aires de drainage de l Ogooué et du Congo Méthodologie et description des données utilisées : Données extérieures utilisées outil logiciel : Acquisition de données : Stratégie d échantillonnage : Méthodes d interpolation synthèse des surfaces enveloppes Résultats : Surfaces enveloppes du Tertiaire : Isopaques du Tertiaire avant érosion : Isopaques de Tertiaire érodé : Isopaques de formation totale érodée (ensemble de la zone d étude) : Isopaques de socle érodé dans le bassin versant de l Ogooué : Synthèse des volumes érodés dans les bassins versants Discussion : Rappels des objectifs problématique de travail Contribution des formations et des zones à l apport sédimentaire de la marge Chronologie relative des phases de dépôt et d érosion Conclusion Références bibliographiques:

3 1. Introduction. Les produits d érosion continentale sont charriés par les fleuves jusqu aux dépôts-centres et s y accumulent depuis la marge jusqu à la plaine abyssale (Rust & Summerfield, 1990 ; Clift et al, 2001). La marge ouest-africaine reçoit ainsi des sédiments charriés par l Ogooué, le Congo, la Kwanza et le fleuve Orange, du Golfe de Guinée à l Afrique du Sud (Lavier et al, 2001 ; Leturmy et al, 2003 ; Lucazeau et al, 2003 ; Anka, 2004 ; Séranne & Anka, 2005). Les fleuves Congo et Ogooué ont en commun d être dans la même zone climatique et de posséder des formations sédimentaires détritiques cénozoïques dans leur aire de drainage ; ils diffèrent cependant par la superficie de leur bassin-versant, un ordre de grandeur supérieur pour le Congo. Les volumes des unités sédimentaires des dépôts-centres du Congo (Séranne, 1999 ; Anka, 2004 ; Séranne & Anka, 2005) et de l Ogooué (Mougamba, 1999) ont été mesurés et les taux d accumulation sédimentaire estimés. Au cours du Cénozoïque, ces dépôts-centres montrent une phase de faible sédimentation suivie, à partir de l Oligocène, d une phase de forte sédimentation terrigène sur la marge, témoignant d une augmentation de l érosion du continent (Lavier et al, 2001 ; Anka, 2004 ; Séranne & Anka, 2005). Les volumes de roches érodés dans les bassins versants du Congo et de l Ogooué ont été calculés pour les grandes périodes géologiques (Leturmy et al, 2003) et les volumes des dépôts-centres du Congo et de l Ogooué sont connus (partiellement pour l Ogooué, Mougamba, 1999 ; Anka, 2004). Sachant que la formation sédimentaire cénozoïque (sable éolien très mature plus facilement érodé que le socle) occupe une superficie importante des bassins versants du Congo et de l Ogooué, la question posée est : quelle est la contribution du remaniement des formations continentales cénozoïques aux apports terrigènes de la marge d Afrique équatoriale de l Ouest depuis l Oligocène? L intérêt est que ces sables matures constituent de meilleurs réservoirs turbiditiques que les sables moins matures issus de la seule érosion du socle. La contribution réelle de ces sables au volume des dépôts-centres associée à d autres arguments permettra de préciser dans un deuxième temps les limites temporelles de dépôt de ces formations détritiques cénozoïques. On réalise d abord une analyse géomorphologique des formations présentes dans les aires de drainage des deux fleuves en insistant sur les formations cénozoïques, sachant que celles-ci sont plus facilement remaniées que des formations plus indurées. L objectif est de reconstituer les limites basale et sommitale (surfaces-enveloppes) de cette formation ; on calcule ensuite le volume avant érosion et le volume de formation remanié par l incision, pour toutes les formations de la zone d étude et dans chacun des deux bassins versants. Ces volumes sont comparés aux volumes de sédiments présents dans les dépôts-centres du Congo et de l Ogooué afin de réaliser une analyse statistique des sources de sédiments au cours du Tertiaire. La détermination de l âge des dépôts continentaux nécessite un recoupement entre âges des formations sous-jacentes, datations des déformations des formations détritiques cénozoïques et variations des taux de sédimentation sur la marge de l Afrique équatoriale de l Ouest

4 2. Contexte géographique et géologique de la zone d étude Localisation géographique. Figure 2-1 : Carte géographique simplifiée de la région étudiée. MNT : Données SRTM NASA L étude porte sur l Ouest de l Afrique équatoriale, dans une zone comprise entre les méridiens 10 E et 26 E et les parallèles 4 N et 11 S (Fig. 2-1). Pour des raisons expliquées ultérieurement, la zone d étude ne se superpose pas exactement aux bassins versants, elle correspond à la zone d extension des dépôts tertiaires. Cependant, plus de la moitié du bassin versant du Congo (1, km 2 sur les 3, km 2 de superficie totale du bassin) ainsi que le bassin versant de l Ogooué ( km 2, Mahé et al, 1990) ont été inclus dans la zone d étude qui s étale donc sur plus de 2 millions de km Caractéristiques climatiques et sédimentaires de la région étudiée. Les deux fleuves étudiés se trouvent en zone de climat équatorial (climat chaud et humide toute l année) et se jettent dans l Océan Atlantique, alimentant en sédiments la marge passive de l Afrique équatoriale de l Ouest. Cet apport se fait depuis la phase post-rift à l Aptien (115 Ma), suite au rifting d âge Néocomien ( Ma) ayant fracturé le Gondwana et permis l ouverture de l Atlantique Sud dans ce secteur (Séranne et al, 1992). La zone d étude englobe les systèmes de l Ogooué et du Congo, afin de comprendre les variations d apports sédimentaires sur la marge depuis le début du Tertiaire. Les dépôtscentres de ces fleuves ont fait l objet d études pour le Congo (Séranne, 1999 ; Anka, 2004 ; Séranne & Anka, 2005) et pour l Ogooué (Mougamba, 1999). Ces travaux ont montré que la sédimentation post-rift (depuis l Aptien) se divise en plusieurs phases. Le début de la subsidence thermique de la marge s accompagne d une sédimentation importante, d abord évaporitique (Aptien) puis carbonatée (Albien à Crétacé terminal). Ensuite, deux étapes

5 principales caractérisent la sédimentation sur la marge, aussi bien pour l Ogooué que pour le Congo (Fig. 2-2): Figure 2-2 : Corrélations entre données sédimentaires de la marge ouest-africaine, variabilité climatique et des conditions d érosion/dépôt pour le Congo et l Ogooué. Compilation de Séranne, 2009, comm. pers. Une première étape allant du début Crétacé terminal à la fin de l Eocène (de 65 à 34 Ma) caractérisée par un taux de sédimentation sur la marge et dans l éventail très faible (de l ordre de 10 m/ma). Une seconde étape s étalant du début de l Oligocène à l actuel (de 34 à 0 Ma) caractérisée par des taux de sédimentation qui augmentent brutalement et croissants jusqu au présent (de 40 à plus de 100 m/ma). La première phase de sédimentation extrêmement réduite sur la marge s explique, selon ces auteurs, par une érosion continentale négligeable associée à des dépôts sédimentaires sur le continent. La deuxième phase marque une inversion des conditions d érosion/dépôt, avec une érosion continentale beaucoup plus marquée et des dépôts de sédiments se faisant sur la marge, le talus et le début de la plaine abyssale atlantique. Le changement climatique majeur de la limite Éocène Oligocène serait responsable de cette évolution (Séranne, 1999 ; Séranne & Anka, 2005). Cette transition climatique fut un évènement planétaire démontré par des indices tels que les variations de δ 18 O des foraminifères issus de données de forages dans les océans Pacifique, Atlantique et Indien (Zachos et al, 2001 ; Zachos et al, 2008) et les variations isotopiques du Strontium (Lear et al, 2003 ; Elderfield, 1986) (Fig. 2-2). L une et l autre de ces variations isotopiques témoignent d un changement climatique global survenu à cette époque et par conséquent d une augmentation de l apport de sédiments terrigènes aux systèmes marins. On est ainsi passé d une période «greenhouse» au climat globalement chaud à une période «icehouse» au climat plus froid

6 2.3. Géologie des aires de drainage de l Ogooué et du Congo. La géologie de la région drainée par ces deux fleuves présente l organisation suivante, du plus ancien au plus récent (Fig. 2-3): Un socle de granitoïdes datés de l Archéen (3,3 à 2,7 Ga, Carte Géologique de l Afrique, UNESCO, 1990) correspondant au craton du Congo et qui constitue le soubassement des formations plus récentes sur quasiment toute la zone d étude. Ce socle affleure principalement au Gabon, au fond de vallées incisées de la région du Kasaï et au Sud-Est du bassin versant du Congo. Ailleurs, il est recouvert par des formations sédimentaires plus récentes. Dans le bassin versant de l Ogooué le craton Archéen est recouvert par des formations volcano-sédimentaires du Francevillien d âge Protérozoïque moyen (2,5 à 1,6 Ga) (Carte géologique de la République Gabonaise, 2002). Cette formation géologique sera par la suite associée au socle, étant donné le grand écart de temps entre celles-ci et le reste des formations étudiées. Figure 2-3 : Carte géologique de l Afrique équatoriale de l Ouest, Carte géologique de l Afrique au 1/ , 3 ème édition (1990), UNESCO. Au Sud-ouest et à l Est, ainsi qu au nord du bassin versant du Congo, les bordures du craton Archéen sont remaniées par l orogénèse du Panafricain (600 à 700 Ma). Des sédiments détritiques Précambrien supérieur et Paléozoïque dans la cuvette du Congo et essentiellement recouverts par des séries plus récentes (Daly et al, 1992)

7 Des sédiments détritiques fluviatiles, lacustres ou lagunaires d âge Mésozoïque et surtout Crétacé déposés dans le bassin du Congo (Giresse, 2005) recouvrent ces terrains cristallins anciens sur quasiment toute la zone d étude. Les sédiments fluviatiles du Crétacé supérieur sont communément regroupés sous le terme de «formation Stanley-Pool» (au sud-ouest du Congo et à l est du Gabon) et plus généralement appelés «formation des Grès Polymorphes» (Giresse, 2005). Enfin, une formation sédimentaire détritique de sables éoliens probablement déposés au Paléocène-Eocène. Cette formation (Séries des Sables Ocres, qui avec les séries des Grès Polymorphes sont regroupées dans le Système du Kalahari) s étale depuis les Plateaux Batéké au Nord (Gabon et Congo) à travers la majeure partie de l aire de drainage du Congo (régions des rivières Kwango, Kasaï ) au Sud et sont reliées à une formation plus vaste présente jusqu au désert du Kalahari (Cahen & Lepersonne, 1952 ; Giresse, 2005). 3. Méthodologie et description des données utilisées. 3.1 : Données extérieures utilisées outil logiciel. L analyse morphologique des formations géologiques présentes dans les bassins versants de l Ogooué et de l Ouest du Congo a plus particulièrement porté sur la formation des sables éoliens d âge Tertiaire. En effet, c est l affleurement le plus étendu et la seule formation qui puisse être facilement contrainte dans les trois dimensions. Cette étude géomorphologique a été réalisée grâce à l utilisation de Modèles Numériques de Terrain (MNT) mis à disposition par la NASA. Deux types de données ont été utilisés : les données SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) de résolution 90 m par pixel, et les données ASTER (Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection radiometer) de résolution 30 m par pixel. Ces MNT ont été projetés et analysés au moyen du logiciel de Système d Information Géographique (SIG) ArcGIS, et plus particulièrement grâce au module ArcMap et à ses utilitaires de calcul associés. 3.2 : Acquisition de données : Stratégie d échantillonnage. La première étape a consisté à coupler MNT et cartes géologiques (Carte géologique de la République Gabonaise au 1 : , 2002 ; Carte géologique internationale de l Afrique au 1/ , 1990). Le principal objectif était de caractériser la morphologie des sables éoliens tertiaires afin de déterminer leurs surfaces de base, de sommet avant érosion et leur extension spatiale dans la zone d étude. Pour définir la surface de base, on échantillonna des points situés au contact entre base du Tertiaire et son soubassement (fluviatile Mésozoïque, socle ). Ces points ont été relevés principalement dans les vallées incisant ce Tertiaire jusqu à son soubassement, puis leur position géographique et leurs altitudes ont été consignées dans une base de données. Le premier problème était l hétérogénéité de répartition de ces points car de grandes zones - 6 -

8 d affleurement du Tertiaire ne laissaient apparaître aucune information sur l altitude de leur base. Cet obstacle fut surmonté au moyen de coupes géologiques levées entre zones d affleurements de la base du Tertiaire sur lesquelles on extrapole des points supplémentaires dans les zones où les données manquaient (Fig. 3-4 & 3-5). Figure 3-1 : Carte de répartition des surfaces d abandon. MNT : Données SRTM NASA. Il est plus difficile de définir la surface initiale du sommet du Tertiaire, car celle-ci a souvent été érodée. On s appuie sur une Figure 3-2 a : Draas fossiles au niveau du Plateau Kwango, SW de la R.D.C. et NE de l Angola. MNT : Données ASTER NASA Figure 3-2 b : Draas actifs dans l Ouest du Sahara, SW de l Algérie. MNT : Données ASTER NASA.

9 structure caractéristique de cette formation : des surfaces d abandon, qui correspondent à des lambeaux de la paléosurface préservée localement sur certains plateaux. Le MNT à haute résolution (Fig. 3-2a) présente sur la surface des plateaux de l Ouest et du Sud de la zone étudiée (Fig. 3-1) des structures parallèles, linéaires de 2 km de large, de 20 à 50 km de long et de quelques mètres de haut, visibles malgré la superposition d un réseau hydrographique, et comparables à des structures actuelles observées dans le SW du Sahara (Fig. 3-2b). Il s agit de mégadunes éoliennes longitudinales fossiles (ou draas, Bubenzer & Bolten, 2008) visibles sur les MNT (Fig.3-2a) et les cartes d orientation des pentes (Fig. 3-3). Ces draas paléogènes marquent la surface de dépôt au moment où l incision a débuté dans les vallées. Par analogie Figure 3-3 : Carte d orientation des pentes, Plateaux Kwango. Les draas sont soulignés par les pentes d orientation Nord (rouge) et Sud (bleu clair). Les draas sont orientés N035E/N040E. avec des champs de draas actuels (Fig. 3-2b) on déduit la direction des paléo-vents dominants ayant déposé les sables. Là où elle est visible, la surface d abandon enregistre des vents dominants orientés parallèlement à l axe des draas (WNW-ESE). Le sens est donné par la progradation vers l Ouest des foresets de dunes éoliennes observées dans les Batéké au Gabon (M. Séranne, comm. orale). Cependant, la surface d abandon est inégalement répartie dans la zone d étude. L exploration de la zone d étude a permis d identifier de petits affleurements de surface d abandon dans l Est du bassin. La surface du sommet du Tertiaire a été extrapolée entre les surfaces d abandon cartographiées. Dans les zones où il n existe plus de surface d abandon, l extrapolation est plus délicate : on prolonge les pentes moyennes, en maintenant la surface au-dessus des affleurements de Tertiaire les plus élevés (Fig. 3-5). Cela permet de définir des points supplémentaires (positions géographiques et altitudes respectives) dans des zones auparavant lacunaires. Les coupes réalisées pour échantillonner ces points supplémentaires sont contrôlées mutuellement par des points de croisement, afin d assurer la cohérence de l ensemble des données

10 Malgré tout, une incertitude subsiste pour l extrapolation de la surface-enveloppe du sommet du Tertiaire, surtout lorsque les points extrapolés sont éloignés des affleurements de surface d abandon : l incertitude sur l altitude peut atteindre 50 m. La réalisation des profils topographiques permet également de contraindre la limite d extension des sables tertiaires. Au Sud- Ouest, au Sud et à l Est/Sud-Est celle-ci correspond à la limite du bassin versant du Congo. Par contre, à l Ouest, au Nord et au Nord-Est de la zone d étude, les sables tertiaires s étendaient jusqu à un haut topographique. Les coupes géologiques surtout les coupes CD et EF - (Fig. 3-5) montrent effectivement que la surface enveloppe du sommet du Tertiaire vient buter sur des barrières topographiques (relief côtier de l Ouest du Bassin du Congo, le Massif du Chaillu au Gabon/ Nord-Ouest du Congo et sur un faible relief en République Centrafricaine). Figure 3-4 : Carte des traits de coupes utilisées pour les échantillonnages successifs (traits noirs). Les traits de coupes de la figure 3-5 sont figurés par des traits rouges. MNT : Données SRTM NASA. Cependant, ces barrières topographiques ont évolué depuis le début de l érosion des sables tertiaires et dans certains secteurs il est difficile de préciser la paléo-altitude de ces barrières. Cela rend d autant plus difficile la limitation de la zone d étude qui correspond aux zones d affleurements passés des sables du Cénozoïque : l extension maximale des sables peut avoir été plus grande que celle qui a été finalement retenue. Nous verrons ultérieurement en quoi cette valeur de l aire de répartition a été très utile pour réaliser ce travail. Une fois ce travail réalisé pour le Tertiaire dans les deux bassins étudiés, nous avons réalisé un échantillonnage de la paléo-surface du socle archéen dans le bassin versant de l Ogooué en utilisant la même méthode que pour le Tertiaire. Les formations d âge Protérozoïque du Bassin Francevillien ont été jointes au socle Archéen étant donné la difficulté de discriminer par la suite les produits d érosion de l une et l autre formation

11 3.3 : Méthodes d interpolation synthèse des surfaces enveloppes. L interpolation des points échantillonnés dans ArcGIS permet de recréer les surfaces enveloppes de la base et du sommet du Tertiaire dans les deux bassins versants ainsi que le sommet du Protérozoïque-Archéen dans le bassin versant de l Ogooué. L interpolation de données est une opération mathématique qui permet la création de surfaces enveloppes virtuelles passant par tous ces points : ce sont ces surfaces qui ont ensuite été utilisées dans les calculs de volumes. Dans les interpolations réalisées pour ce travail, le logiciel replace d abord chaque point en fonction de sa position géographique. Il crée ensuite des points supplémentaires entre les points de la base de données en leur assignant des valeurs intermédiaires aux points de départ. Le nombre de points supplémentaires peut-être réglé avant le calcul ; leurs valeurs assignées seront d autant plus proches de la réalité que le nombre de points de la base de données sera grand et que ces derniers seront répartis de façon homogène. Deux types d interpolations ont été testés : l interpolation linéaire et l interpolation cubique. Cette dernière crée des valeurs aberrantes et localisées, Figure 3-5 : Coupes sériées W E Vallée du Kwango. Les traits de coupe sont renseignés en rouge dans la figure 3-4. faussant ainsi les calculs. On retient donc l interpolation linéaire. De plus, elle suffit pour les

12 calculs à effectuer. Les surfaces enveloppes résultant des interpolations figurent dans la partie «Résultats». Une fois que l on dispose des altitudes de ces différentes surfaces enveloppes on peut mener les calculs suivants : Puissance des sables tertiaires avant érosion (différence entre la surface enveloppe du sommet et la surface enveloppe de la base). Isopaques de sables tertiaires érodés pour chacun des bassins versants (différence entre surface enveloppe du sommet et topographie actuelle si l érosion n a pas atteint la formation sous-jacente aux sables tertiaires). Isopaques de roches totales érodées (sables tertiaires + soubassement) dans le bassin versant du Congo (différence entre surface du sommet du Tertiaire et topographie actuelle). Isopaques de formations anciennes (Protérozoïque à Archéen) érodées dans le bassin versant de l Ogooué (différence entre surface du sommet du socle et topographie actuelle). La calculatrice d ArcGIS fournit une analyse statistique, dont la valeur moyenne de l isopaque de formation érodée. La carte isopaque permet également de voir quelles zones avaient le plus fourni de sédiments et d essayer d en comprendre les causes. Comme les interpolations ne peuvent se faire que sur des surfaces rectangulaires, des valeurs aberrantes (situées hors de la zone d étude, par exemple dans des secteurs où il n y a jamais eu de Tertiaire déposé) sont prises en compte dans les calculs : ces valeurs aberrantes sont la plupart du temps négatives. Il est donc nécessaire de retirer ces données (de façon mathématique) pour ne garder que celles situées dans la zone d étude. On exclut par exemple les valeurs négatives : on demande à la calculatrice d ArcGIS de n effectuer le calcul de l isopaque moyen érodé qu à partir des valeurs des isopaques érodés des points situés dans la zone d étude, donc en n utilisant que les valeurs positives. Cette opération est loin d être négligeable car, dans le cas du Tertiaire sur les deux bassins versants la valeur moyenne de l isopaque érodé est de 100 m si l on filtre les données, et 140 m si on ne les filtre pas. Ce filtrage est effectué à chaque calcul d isopaque moyen érodé afin d obtenir les valeurs les plus représentatives et les plus proches possibles de la réalité. Ces isopaques moyens érodés ont ensuite été multipliés par les aires d extension de chaque formation pour estimer les volumes érodés pour chaque formation

13 4. Résultats. 4.1 : Surfaces enveloppes du Tertiaire. La figure 4-1 présente la surface enveloppe du sommet du Tertiaire dans les deux bassins versants sur laquelle on a superposé le réseau de drainage. Les altitudes s étagent d environ 500 m au niveau de la cuvette du Congo, 600 à 900 m dans les régions des Plateaux Batéké, du bas-kwango et du Bas-Kasaï, et de 900 à plus de 1400 m au Sud de la zone étudiée (haut-kwango, haut- Kasaï, ligne de partage des eaux entre Congo, Kwanza et Zambèze). On observe que le réseau de drainage est globalement contrôlé par la topographie de cette surface enveloppe. Figure 4-1 : Altitudes (en m) de la surface enveloppe reconstituée du sommet du Tertiaire dans les bassins versants de l Ogooué et du Congo. Cela suggère que les réseaux de drainage du Congo et de l Ogooué ont peu varié depuis le début de la phase d érosion. Le réseau hydrographique général a donc repris les structures initiales présentes en surface du Tertiaire avant qu il ne s érode, c est-àdire suivant l orientation des draas (cf partie Méthodologie) tout en suivant les lignes de plus grandes pentes locales. La figure 4-2 montre que les altitudes de la surface-enveloppe du sommet du Tertiaire reconstituée pour le bassin versant de l Ogooué Figure 4-2 : Altitudes de la surface enveloppe du sommet du Tertiaire dans le bassin versant de l Ogooué

14 varient de 750 à 860 m d Ouest en Est. On y observe également que la répartition des sables tertiaires s étendait 150 km à l Ouest des Plateaux Batéké, où ils affleurent aujourd hui. 4.2 : Surface enveloppe de la base du Tertiaire. La figure 4-3 nous informe sur les altitudes de la surface enveloppe de la base du Tertiaire dans les deux bassins versants associés. Celle-ci correspond de ce fait à la topographie de la surface de contact entre sables tertiaires et leur soubassement. On observe deux zones principales, séparées par le parallèle 5 S: Une zone caractérisée par des altitudes faibles (de moins de 400 m à 600 m) et un relief peu tourmenté au Nord de la zone d étude (cuvette congolaise et Plateaux Batéké). Une zone caractérisée par un relief Figure 4-3 : Altitudes (en m) de la surface enveloppe de la base du Tertiaire (ensembles des deux bassins). plus variable et des altitudes plus importantes (de 600 à 1300 m) au Sud de la zone d étude (Kwango, Kasaï, Sud-Est de la zone). On y remarque la présence de deux «vallées» d axe Nord-Sud (méridiens 17 E et 21 E) étendues de 5 S à 10 S, soit sur plus de 500 km. Celles-ci occupent la même place que les rivières actuelles Kwango et Kasaï, affluents majeurs du fleuve Congo. Cela pourrait signifier que ces deux rivières principales ont une orientation et donc une existence antérieures au dépôt des sables éoliens tertiaires, donc ante-paléogène inférieur. Les altitudes de la surface-enveloppe de la base du Tertiaire dans le bassin versant de l Ogooué Figure 4-4 : Altitudes de la surface enveloppe de la base du Tertiaire, bassin de l Ogooué

15 (Fig. 4-4) vont de moins de 400 m à l Est pour dépasser les 800 m vers le massif du Chaillu à l Ouest. 4.3 : Isopaques du Tertiaire avant érosion. Les isopaques du Tertiaire varient de 0 à plus de 600 m (Fig. 4-5), avec 5 zones présentant des épaisseurs importantes (régions de l Oubangui (1-3 N ;17-20 E), Plateaux Batéké (0-5 S ; E), Vallée du Kwango (5,5-9 S ; 15,5-18 E), Kwilu- Kasaï (2-5 S ; E) et extrême Est de la zone étudiée (5 S ; 26 E)). Ces régions présentent des épaisseurs allant de 200 à 650 m (couleurs vert foncé à rouge sombre), et deux d entre elles (Batékés Ouest et Haut-Kwango) révèlent même des isopaques allant de 350 à 650 m (orange à rouge sombre). Ces deux dernières zones (ainsi que dans une moindre mesure les trois autres) ont dû constituer des pièges sédimentaires où les sables éoliens se sont accumulés. Cela a ainsi constitué des zones réserves Figure 4-5 : Isopaques du Tertiaire sur les deux bassins versants avant érosion. de sables potentiellement fournisseuses par la suite de la majeure partie des produits d érosion. Le volume de formation tertiaire avant érosion sur les deux bassins versants est de km3 (isopaque moyen d environ 170 m et surface de km 2 ). La figure 4-6 nous montre que la puissance du Tertiaire dans le bassin versant de l Ogooué avant érosion va de 0 à plus de 400 m, croissant d Ouest en Est. Le volume de Tertiaire anteérosion dans le bassin de l Ogooué est de km 3 (isopaque moyen de 235 m et surface de km 2 ). Par différence, on déduit que le volume de Tertiaire ante-érosion du bassin du Figure 4-6 : Isopaques du Tertiaire avant érosion, bassin versant de l Ogooué

16 Congo est de km 3 ( ). L amincissement du Tertiaire provient d un abaissement régional du socle sous l Est des Plateaux Batéké (Fig. 4-4). Comme pour les isopaques de la figure 4-5, les secteurs les plus susceptibles de fournir une importante quantité de sédiments sont donc ceux situés les plus à l Est. 4.4 : Isopaques de Tertiaire érodé. La carte représente ici les isopaques de Tertiaire érodé dans les deux bassins versants (Fig. 4-7). Le réseau hydrographique a été superposé car c est grâce aux cours d eau que se produit l érosion et que les sédiments sont évacués. On distingue deux populations d isopaques de Tertiaire : - Une première à faibles valeurs (blanc à bleu clair, de -21m (du fait des incertitudes de mesure) à 150 m d épaisseur, situées au niveau des surfaces d abandon et de leur périphérie. En effet, ces surfaces d abandon sont des surfaces préservées de l érosion. - Une seconde à fortes valeurs d isopaques (de couleurs vert pâle à rouge sombre, 150 à 646 m) localisées dans les mêmes zones où l on avait la plus grande puissance de Tertiaire avant érosion (Haut-Kwango, Plateaux Batéké, Bas Kwilu-Kasaï, Oubangui et extrême Est de la zone étudiée). Les zones présentant les isopaques de Tertiaire érodé les plus importants (supérieurs à 200 m) sont donc localisés au niveau des secteurs où il y avait le plus de sable déposé et donc les secteurs les plus à même de fournir une quantité importante de sédiments, ainsi que le long des fleuves et de leurs principaux affluents. Ces derniers, par leur longueur, leur puissance, leur débit et leur réseau de drainage propre peuvent ainsi éroder avec plus de force le Tertiaire sur lequel ils coulent et également évacuer les produits d érosion plus facilement vers l océan Atlantique. Figure 4-7 : Isopaques de Tertiaire érodé sur l ensemble de la zone d étude. Le volume de Tertiaire érodé est de km 3 (130 m d épaisseur moyenne sur les km 2 de surface des bassins versants des deux fleuves). Sachant que le volume de Tertiaire initial compris dans la zone d étude était de km 3 (Fig. 4-5), cela indique qu une

17 proportion très importante de cette formation a été remaniée par érosion ; soit un taux de déstockage (volume de formation Tertiaire érodée sur volume initial de formation) de 77 %. Les isopaques du Tertiaire érodé du bassin versant de l Ogooué (Fig. 4-8) vont de 0 à 415 m, du Massif du Chaillu aux Plateaux Batéké, et notamment dans la rivière Léconi, affluent de l Ogooué. On retrouve une carte où les valeurs les plus fortes se concentrent le long des rivières mais aussi là où le Tertiaire n affleure plus de nos jours. Le volume de Tertiaire érodé est de km 3. Ramené au volume de Tertiaire initial (Fig. 4-6), le taux de déstockage atteint 85 %, étant ainsi légèrement supérieur à celui de l ensemble de la zone d étude (77 %). Figure 4-8 : Isopaques de Tertiaire érodé dans le bassin versant de l Ogooué. Ce volume de formation érodé permet de distinguer la part relative du Tertiaire dans chaque bassin versant de la zone d étude. Ainsi, ce sont km 3 ( ) de formation Tertiaire qui a été érodée dans le bassin versant du Congo. 4.5 : Isopaques de formation totale érodée (ensemble de la zone d étude). Figure 4-9 : Isopaques de formation totale érodée (en m) sur l ensemble de la zone d étude. La carte d isopaques de l ensemble des formations érodées (Fig. 4-9) a été calculée par différence entre la surface enveloppe du sommet du Tertiaire et la topographie actuelle. Les valeurs sont ainsi proches de celles de la carte des isopaques de l érosion de la formation Tertiaire (Fig. 4-7), allant de 0 à plus de 600 m de formation totale érodée. Le volume de formation totale érodée dans

18 le périmètre de la zone d étude est donc de km 3, ce qui signifie que km 3 ( ) de formation autre que du Tertiaire ont été érodées dans cette zone (Ogooué et Congo confondus). Le réseau hydrographique a là-aussi été ajouté en filigrane à cette carte afin de mieux mettre en évidence la contribution essentielle des cours d eau au démantèlement des formations géologiques, que ce soit du Tertiaire ou des formations plus âgées et de nature différente. Les isopaques de formation érodée les plus forts se trouvent ainsi au pied des Plateaux Batéké (secteurs Ouest et Est), autour de l Oubangui, au niveau des principaux affluents du Congo (Kwango, Kasaï) et à l extrême Est de la zone d étude. 4.6 : Isopaques de socle érodé dans le bassin versant de l Ogooué. Les résultats suivants (Fig 4-10 et 4-11) décrivent les isopaques de formations anciennes Figure 4-10 : Isopaques de socle Archéen érodé dans le bassin versant de l Ogooué. Figure 4-11 : Isopaques de Protérozoïque érodé dans le bassin versant de l Ogooué. érodées (Bassin Francevillien d âge Protérozoïque ; socle d âge Archéen) dans le haut bassin versant de l Ogooué, c est-à-dire en amont de Lambaréné (car on exclut la contribution de la rivière Ngounié qui se jette dans l Ogooué après cette ville). Ces deux formations ont été étudiées séparément pour mieux distinguer leur surface enveloppe de sommet respective. Étant donné le hiatus important entre sables tertiaires des Batéké d une part et le Craton sédiments francevilliens d autre part, les volumes érodés de ces deux dernières formations ont été regroupés : km 3 pour le Craton et km 3 pour les sédiments du Francevillien. Le volume de formations anciennes érodées au sein du bassin versant de l Haut-Ogooué est

19 ainsi de km 3, portant le total de formation érodée pour cette même zone (en ajoutant la contribution de l érosion du Tertiaire) à km 3. Ce chiffre nous permet une fois encore d individualiser les sources de produits d érosion entre les deux fleuves. Ainsi, km 3 de formation autre que les sables tertiaires ont été érodés à l intérieur de la zone d étude, avec km 3 pour le bassin versant de l Ogooué (Fig et 4-11). Par conséquent, le volume de formation érodée autre que le Tertiaire dans le bassin versant du Congo est de km 3 ( ). 4.7 : Synthèse des volumes érodés dans les bassins versants. Volume de Cénozoïque initial (en km 3 ) Volume de Cénozoïque érodé (en km 3 ) Volume érodé d autres formations (en km 3 ) Volume total érodé (en km 3 ) Part de cénozoïque déstocké lors de l érosion B-V Congo ± ± ± ± % B-V Ogooué ± ± ± ± % Congo+Ogooué ± ± ± ± % Figure 4-12 : Tableau récapitulatif des différents volumes érodés en fonction des formations et des régions étudiées. 5. Discussion : 5.1 Rappels des objectifs problématique de travail. La question initiale était de quantifier l érosion Oligocène + Néogène au sein des bassins versants de l Ogooué et du Congo afin d estimer le volume de sédiments produits par les processus d érosion continentale de cette région. Il s agit de lier ces apports au volume de sédiments effectivement déposés dans les systèmes sédimentaires de ces fleuves. La réponse à cette question devrait nous permettre (par un raisonnement indirect) de mieux contraindre l intervalle de dépôt de ces sables. Le premier objectif consistait à discriminer la contribution des sables éoliens tertiaires des autres formations géologiques. Une analyse géomorphologique couplée à un SIG et à des coupes géologiques nous a permis de contraindre la répartition de chaque formation dans les trois dimensions. L objectif suivant était de savoir quel volume de formation avait été érodé au cours de cette période, et plus particulièrement la contribution propre des sables du Tertiaire. Le postulat est le suivant : les roches érodées sur le continent voient ces produits d érosion emportés et charriés par les cours d eau et les fleuves jusqu aux dépôts-centres respectifs de ces fleuves (Harrison, 2000 ; Clift et al, 2001 ; Lucazeau et al, 2003). Ces sédiments s accumulent alors sur la marge continentale et la plaine abyssale pour les deux fleuves Ogooué et Congo : quelle part de ces sédiments est due à l apport de ces produits d érosion du Tertiaire?

20 Bassin versant du Congo Bassin versant de l'ogooué Volume de Tertiaire érodé (km 3 ) Volume de sédiments correspondants (km 3 ) Volume d'autres formations érodées (km 3 ) Volume de sédiments correspondants (km 3 ) Volume total de sédiments (km 3 ) ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±3500 Figure 5-1 : Tableau comparatif de volumes de roches érodées et de sédiments produits, en fonction de la lithologie et de la zone étudiée, en prenant en compte l écart de densité entre formation continentale en place et sédiments marins. 5.2 Contribution des formations et des zones à l apport sédimentaire de la marge. Concernant les volumes de formation érodée dans le bassin versant de l Ogooué, nous avons trouvé les résultats suivants dans la zone définie cette fois dans le bassin versant du Haut-Ogooué: km 3 de sables éoliens tertiaires ont été érodés et km 3 de socle Archéen - Protérozoïque a été érodé. Au sein du périmètre défini au départ (zone d étude dans l aire de drainage du Congo), les résultats nous ont donné les volumes de formations érodés suivants : km 3 de la formation des sables éoliens tertiaires et km 3 d autres formations ont été érodées depuis le début de l Oligocène au présent, donnant un total de km 3 de roches érodées (Fig. 4-12). On convertit les volumes de roches érodées en volumes de sédiments correspondants : il faut tenir compte d une densité différente entre roche en place et sédiments non consolidé. On a utilisé les densités de 2,7 pour la roche dans la zone source (sans faire de distinction entre roches de natures différentes) et de 2,4 pour les sédiments déposés après l Oligocène (Dupré, 2003). Le volume de sédiments issus des produits d érosion est ainsi supérieur au volume de roche érodée de 12,5 % (Fig. 5-1). Figure 5-2 : Aires de dépôt des unités sédimentaires et taux moyens d accumulation, modifié d après Mougamba, On compare les volumes de formations érodés aux volumes de sédiments présents dans les dépôtscentres des fleuves. On s intéresse premièrement au système de l Ogooué : les dépôts de

21 sédiments de l Ogooué sur la marge du Gabon ne sont bien renseignés que pour la partie la plus proximale du dépôt-centre, c est-à-dire la marge gabonaise (Mougamba, 1999). Aucune information précise n a été collectée sur les données sédimentaires de l éventail profond de ce fleuve. Néanmoins, on s appuie sur les données sédimentaires de la marge gabonaise pour calculer (à partir des données de Mougamba, 1999) le volume de sédiments déposés sur la marge depuis le début de l Oligocène. Celui-ci fut calculé en tenant compte des taux d accumulation sédimentaire et des surfaces de zones d accumulation pour chaque période (Fig 5-2). Les lacunes sédimentaires et/ou d aires de dépôt ont été extrapolées (en gris) afin d avoir une séquence continue depuis le début de l Oligocène. Les taux moyens d accumulations (en volume) pour chaque sous-période ont été multipliés par leurs aires de dépôt respectives. Ce calcul nous a donné un volume de sédiments déposés depuis le début de l Oligocène à l actuel de km 3. Il faut cependant garder à l esprit que ce volume ne concerne qu une partie de l ensemble du prisme sédimentaire de la marge, car il manque la partie de l éventail profond : le volume total de sédiments déposés doit donc très probablement être supérieur. En comparaison avec le volume de sédiments produits par l érosion du bassin versant du Haut-Ogooué, on ne trouve que km 3 de sédiments, soit un peu plus de la moitié de ce qui a été échantillonné, et probablement moins du quart du volume total de sédiments du prisme. Ceci implique qu il existe une source supplémentaire de sédiments en plus des sables des Plateaux Batéké et du socle. Il est à noter que le sous-bassin versant de la Ngounié (affluent de l Ogooué, au niveau de la Plaine Côtière) n a pas été pris en compte dans l érosion et donc son apport potentiel de sédiments à la marge a été négligé. Cependant, sa superficie est bien trop faible (33000 km 2 ) pour expliquer un tel écart de volumes de sédiments déposés dans le dépôt-centre de l Ogooué. Figure 5-3 : Isopaques de formations érodées dans la Plaine Côtière du Gabon au cours de l uplift Miocène moyen actuel. Des analyses de traces de fission sur apatite dans les formations sédimentaires de la marge ont permis de déterminer des taux de dénudation de la Plaine Côtière du Gabon (Walgenwitz et al, 1990 ; Walgenwitz et al, 1992), repris par la suite dans d autres travaux de représentation de hauteurs exhumées (Séranne, 1999 ; Anka, 2004). La Plaine Côtière du Gabon a subi un uplift à partir du Miocène inférieur jusqu à nos jours. Cet uplift a exhumé des formations qui ont été érodées,

22 fournissant ainsi des sédiments en plus de ce que l Ogooué charriait déjà. Cette exhumation est également renseignée par des coupes géologiques et des profils sismiques Sud-Ouest Nord-Est : ceux-ci montrent que les unités post-rift ont été érodées dans la partie on-shore, de part et d autre du horst de Lambaréné (Mounguengui M.M. et al, 2008 ; Mounguengui M.M. & Guiraud, 2009). En extrapolant les épaisseurs de séries post-rift déposées, on s attend à une érosion de 1500 m à l extrémité Est des coupes. On teste l hypothèse d une production de sédiments terrigènes par dénudation de la zone côtière en réalisant un travail proche de celui réalisé pour les formations géologiques du Congo et de l Ogooué. Les données des épaisseurs érodées au Néogène (Walgenwitz et al, 1990 ; Walgenwitz et al, 1992 ; Anka, 2004) ont été compilées afin de créer une carte d isopaques du volume érodé (Fig. 5-3). Cette opération nous a permis de définir l isopaque moyen érodé (environ 1000 m) qui multiplié par l aire d alimentation probable du prisme sédimentaire de l Ogooué donne le volume de roches érodées. Le volume de formation érodée dans la Plaine Côtière du Gabon depuis le Miocène moyen est donc de ±20000 km 3, soit environ km 3 de sédiments après prise en compte du différentiel de densité. Ces km 3 s ajoutent donc aux km 3 issus de l érosion des formations de l amont de l Ogooué, donnant un apport total de km 3 de sédiments au prisme sédimentaire de la marge gabonaise. Cependant, seul le volume de sédiments sur la marge est connu : on ne prend pas en compte le volume de sédiments de l éventail sous-marin profond car il n a pas encore fait l objet d études approfondies (Mougamba, 1999). Ces km 3 de sédiments sont largement supérieurs aux km 3 de sédiments déposés sur la marge gabonaise, calculé selon les taux de sédimentation de Mougamba (1999), confirmant le fait que l érosion de la Plaine Côtière constitue une source de sédiments supplémentaire crédible. De plus, Mougamba (1999) observe (Fig. 5-2) que le taux moyen d accumulation en volume augmente de façon importante à partir du milieu du Miocène inférieur (20 Ma) passant de 1200 km 3 /an à 2500 km 3 /an en ne cessant d augmenter vers l actuel. Ceci corrobore l hypothèse selon laquelle une source supplémentaire de sédiments apparaît à cette période en lien avec un uplift tectonique localisé dans la zone côtière de cette région. Les causes de cet uplift sont discutées (Lavier et al, 2001 ; Lucazeau et al, 2003), peut-être celui-ci est connecté au superpanache sud-africain situé bien plus au Sud (Nyblade & Robinson, 1994) km 3 8% km 3 92% Volume de sédiments issus de l'érosion des sables tertiaires Volume de sédiments issus de l'érosion du soubassement des sables tertiaires Figure 5-4 : Diagramme des parts respectives d érosion des différentes formations et volumes associés au sein de la zone d étude. Contrairement au prisme sédimentaire de l Ogooué, les volumes de sédiments sur l ensemble des dépôts (marge+plaine abyssale) du Congo sont bien connus (Anka, 2004) et clairement datés. Ainsi, le volume de sédiments déposés dans l ensemble du dépôt-centre du Congo depuis le début de l Oligocène a été estimé à km 3 - répartis entre km 3 dans la plaine abyssale éventail profond et km 3 sur la marge (Anka, 2004). Les

23 produits d érosion continentale étant emportés et charriés par les cours d eau jusqu à l océan (Clift et al, 2001), ce volume de sédiments doit correspondre (en tenant compte du différentiel de densités) au volume de roche érodée dans l aire de drainage du fleuve étudié. Nous avons obtenu comme résultats (Fig. 5-1) un volume total érodé depuis le début de l Oligocène de km 3 soit km 3 de sédiments directement issus du remaniement des sables tertiaires et de leur soubassement dans la zone d étude définie dès le départ (superficie de 1, km 2 ). Les sables tertiaires ont de plus fourni la quasi-totalité de ces sédiments : 92% contre 8% pour les autres formations sous-jacentes de la zone d étude définie (Fig 5-4) km 3 59% km 3 41% Volume de sédiments issus de la zone d'étude Volume de sédiments issus de l'extérieur de la zone d'étude Figure 5-5 : Diagramme de provenances des sédiments en fonction des régions situées dans et hors de la zone d étude (ensemble du bassin versant du Congo). Un rapide calcul révèle que km 3 des sédiments accumulés dans le prisme sédimentaire du Congo depuis l Oligocène proviendraient de l érosion des formations géologiques situées en dehors de la zone d étude (définie par l extension du Tertiaire éolien avant érosion) mais néanmoins comprises dans l aire de drainage du Congo (soit une superficie de 1, km 2 ). Ces zones correspondent au Nord, à l Est et au Sud-Est du bassin versant du Congo (Rift Occidental), auquel il faut probablement ajouter la zone côtière dont l uplift au Miocène inférieur est estimé à environ 500 m (Lavier et al, 2001 ; Leturmy et al, 2003 ; Lucazeau et al, 2003). On obtient donc le ratio suivant : 41 % des sédiments Oligocène-actuel proviennent de l érosion des sables tertiaires plus leur soubassement (donc de la zone d étude) et 59 % proviennent de régions hors de la zone d étude (extrême Nord, Est et Sud-Est du bassin du Congo, Rift Occidental, Katanga, zone côtière) (Fig. 5-5). Les sédiments issus du déstockage des formations de sables tertiaires représentent 38 % des sédiments déposés dans le prisme du Congo, depuis l Oligocène, alors que 62 % proviennent de l érosion des formations plus anciennes (Fig. 5-6). Il faut tenir compte du fait que ces chiffres sont estimés au sein de bassins versants dont les limites sont les mêmes qu actuellement : une migration de celles-ci a été invoquée (Leturmy et al, 2003 ; Lucazeau et al, 2003) pour expliquer la taille importante du dépôt-centre de l Ogooué dont la superficie du bassin versant est relativement faible comparée à celle du Congo km 3 62% km 3 38% Volume de sédiments issus de l'érosion des sables éoliens tertiaires Volume de sédiments issus de l'érosion de formations ante-tertiaire Figure 5-6 : Diagramme de comparaison des sources sédimentaires alimentant le prisme du Congo pour l ensemble du bassin versant du Congo

24 5.3 Chronologie relative des phases de dépôt et d érosion. Les surfaces enveloppes de base (Fig. 4-3) et de sommet (Fig. 4-1) du Tertiaire nous révèlent que cette formation a subi une déformation. D une part, l épaisseur variable du Tertiaire caractérise une déformation pendant le dépôt, d autre part les altitudes de la surfaceenveloppe du sommet du Tertiaire (présentant des dépôts éoliens habituellement subhorizontaux) varient de plusieurs centaines de mètres, surtout au Sud du parallèle 5 S, indiquant une phase de déformation postérieure au dépôt des sables. Les rivières s écoulent systématiquement suivant la ligne de plus grande pente, elles sont donc d excellents marqueurs des directions des pentes au moment de leur formation. Si la région où elles se trouvent ne subit aucune déformation verticale, la ligne de plus grande pente n évolue pas et les rivières n incisent pas leur lit ; si par contre cette région subit un uplift, les rivières vont inciser la formation sur laquelle elles s écoulent. Elles creusent un canyon tant que l uplift se poursuit et que l érosion régressive n a pas détruit le canyon (car celui-ci contraint l écoulement des rivières): l orientation de ce canyon reste la même que la ligne de pente pré-uplift, même si un nouvel uplift impose une ligne de pente régionale de direction différente. Lorsque les bords du canyon sont complètement arasés et qu un second uplift de direction différente bascule une région, l aval des rivières n est plus contraint par le canyon et celles-ci suivent alors la nouvelle ligne de pente provoquée par ce second uplift. Une région localisée au Sud du parallèle 5 S (5 à 11 S ; 16 à 25 E) montre des rivières qui ont pour la plupart la même orientation (Nord-Sud) et où celle-ci ne semble pas avoir changé au cours de l incision Néogène. Ces rivières suivent ainsi la ligne de plus grande pente initiale qui est proche de l actuelle. Ces orientations conjuguées aux altitudes de la surface enveloppe de la base du Tertiaire permettent de dire que cette région a subi un basculement vers le Nord suivant une orientation globalement Est-Ouest (N090E). Le basculement de la partie Sud de la formation des sables tertiaires serait l expression septentrionale de l uplift généralisé du Sud de l Afrique, résultat de la mise en place du superpanache sudafricain (Nyblade & Robinson, 1994) : on a en effet une variation d altitude faible en regard de la distance (quelques centaines de mètres sur plusieurs centaines de kms), typique d un uplift régional dû à un panache. La mise en place de ce superpanache serait en partie due à une perturbation thermique de la lithosphère consécutive au fonctionnement du Rift Est-Africain (Nyblade & Robinson, 1994 ; Lithgow-Bertelloni & Silver, 1998) : cette perturbation thermique influe ainsi sur l épaisseur de la lithosphère élastique (ou Te) (Pérez- Gussinyé et al, 2009). En effet, Pérez-Gussinyé et al (2009) observent dans leur modèle deux zones dans le craton du Congo : une au Nord du parallèle 5 S, avec une Te de 90 à plus de 100 km, et une au Sud de ce même parallèle, avec une Te de 10 à 70 km. Or, plus la Te est faible et plus la perturbation thermique est grande, et inversement. Ainsi, l accident EW du parallèle 5 S, montré par une variation de l épaisseur de la Te (Pérez-Gussinyé et al, 2009) et une variation