Les marges continentales passives Synthèse Pourquoi les étudier?

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1 Les marges continentales passives Synthèse Pourquoi les étudier? ETOPO 1 Isabelle Thinon

2 Points abordés > Qu est-ce qu une marge continentale > Structure et architecture sédimentaire Marges continentales passives divergentes non-volcanique Volcanique Marges continentales transformantes Marges continentales obliques à hyper-obliques > Sédimentation sur les marges continentales > Pourquoi étudier les marges > Exemples de méthodes d investigations 2

3 Qu est-ce qu une marge continentale? Une bordure de continent Une zone de transition entre un continent, constitué de croûte continentale et une plaque océanique, constituée de croûte océanique. Les marges continentales recouvrent 11% de la surface de la Terre. 12 plaques lithosphériques* ETOPO 1 Frontière divergente Extension au niveau de la dorsale 3 frontières de plaque Marges continentales passives divergentes Frontière transcurrente Glissement entre plaque le long d un décrochement ou d une faille transformante Marges continentales transformantes Frontière convergente zone de subduction Marges continentales actives * Plaque lithosphérique: Ensemble rigide formé de la croûte et de la partie superficielle du manteau supérieur comprise entre la surface et km de profondeur. Les plaques reposent sur l asthénosphère, un milieu solide, ductile. Elles sont délimitées par des zones actives ou limites de plaques. Actuellement, il y en a 12. 3

4 Marge continentale passive Où sont-elles? Golfe du Lion. Source (Ifremer, SHOM) MNT (BRGM) - Océan atlantique - Océan Arctique - Océan Indien occidental - Australie - Antarctique - Méditerranée occidentale : Corse, Sardaigne, Provence (golfe du Lion) 4

5 Marge continentale passive divergente Golfe du Lion. Source (Ifremer, SHOM) MNT (BRGM) 5

6 Marge continentale passive divergente Définitions et généralités Marge continentale passive (ou stable): - Zone de transition entre une masse continentale et la croûte océanique, qui se crée au sein de la même plaque lithosphérique. - Pas d activité sismique et volcanique. - Lieu où la croûte continentale s amincie (30 -> 0 km) Golfe du Lion. Source (Ifremer, SHOM) MNT (BRGM) - Induite par des contraintes de distension «lointaines» (~perpendiculaire à l axe du rift) - Issue d une phase de rifting qui a aboutit à la rupture lithosphérique et à l accrétion océanique formation de 2 marges continentales passives conjuguées. Tirés des cours de Barriers 6

7 Marge continentale passive divergente Définitions et généralités Morphologie - Plateau continental Bathymétrie (0 200 m) Pente très faible (~0.1 ) Largeur (5 à 1500 km) Epaisseur crustale (~30-35 km) - Pente continentale (talus) Bathymétrie ( m) Pente importante (1-5 ) et largeur variable ( km) Entaillée de canyons sous-marins Lieu de l amincissement crustal (30 à qq km) Golfe du Lion. Source (Ifremer, SHOM) MNT (BRGM) Carte bathymétrique - Glacis continental Bathymétrie ( m) Accumulation de sédiments au pied de la pente - Plaine abyssale Bathymétrie ( m) Lieu de la Transition Océan/Contient (TOC) Socle: croûte océanique; TOC (croûte transitionnelle); possible C.C.amincie 7

8 Marge continentale passive divergente Définitions et généralités 2 types de marges continentales passives en fonction de la quantité de sédiments déposés - Marges maigres (ex: Marge armoricaine du Golfe de Gascogne) - Marges nourries (ex: Marge du Golfe du Lion, Marge du Gabon) Marge armoricaine d après Montadert et al. (1979) SO africaine d après Séranne et Anka (2005) 2 types de marges continentales passives en fonction de la largeur de l amincissement crustal - Marge étroite (< 50km): ex: Marge de Provence - Marge large (> 100km) : ex: Golfe du Lion D après Gueguen(1990) Reconstruction cinématique (Gueguen, 1990) Fermeture du bassin liguro-provençal 8

9 Marge continentale passive divergente 2 types de marges continentales passives en fonction de la structure Marges continentales passives non-volcaniques Marges continentales passives volcaniques Gernigon et al. (2005) 9

10 Marge continentale passive divergente non-volcanique Gernigon et al. (2005) 10

11 Marge continentale passive divergente non-volcanique Structure - connaissance avant le 21 ème siècle Marge continentale passive divergente: - C.C. amincie, caractérisée par une succession de blocs basculés bordés par des failles normales à pendage vers l océan. Partie distale Partie proximale - C.O. issue d'une accrétion lente à l'axe d'une dorsale. - Transition Océan-Continent (TOC) abrupte Rebord de plateau CM16 (Montadert et De Charpal, 1979) Thinon, 1999 Coupe perpendiculaire à la marge des Entrées de la Manche (Golfe de Gascogne) Thinon,

12 Marge continentale passive divergente non-volcanique Structure - connaissance début 21 ème siècle Terre-Neuve Exemple: marges conjuguées Ibérie/Terre-Neuve (Atl. N) Ibérie Études géophysiques Sismique réflexion 20 km D après Manatschal,

13 Marge continentale passive divergente non-volcanique Structure - connaissance en ce début de 21 ème siècle Terre-Neuve Exemple: marges conjuguées Ibérie/Terre-Neuve (Atl. N) Ibérie Études géophysiques C.O. 20 km C.C. Sismique réflexion Magnétisme Zones avec anomalies magnétiques TOC Zone magnétiquement calme D après Manatschal,

14 Marge continentale passive divergente non-volcanique Structure - connaissance en ce début de 21 ème siècle Terre-Neuve Ibérie Études géophysiques Sismique réflexion Magnétisme Sismique réfraction 20 km Sismique réfraction Vitesse anormale: km/s D après Manatschal,

15 Marge continentale passive divergente non-volcanique Structure - connaissance en ce début de 21 ème siècle Terre-Neuve Ibérie Études géophysiques Sismique réflexion Sismique réfraction 20 km Contrainte terrain Forages ODP Sismique réfraction D après Manatschal,

16 Marge continentale passive divergente non-volcanique Structure - connaissance en ce début de 21 ème siècle Terre-Neuve Ibérie TOC Peron-Pinvidic_2006 Études géophysiques Sismique réflexion Magnétisme Sismique réfraction Contrainte terrain Forages ODP Sismique réfraction D après Manatschal,

17 Marge continentale passive divergente non-volcanique Structure - connaissance en ce début de 21 ème siècle Qu est ce que la Transition Océan-Continent (TOC)? 3 hypothèses émises pour définir la TOC d une marge continentale passive non-volcanique - une croûte océanique accrétée au niveau d une dorsale lente à très lente (Sawyer, 1994; Whitmarsh and Sawyer, 1996), - une croûte continentale étirée, amincie, découpée et intrudée par des matériaux ignés (Whitmarsh et al., 1990a; Whitmarsh and Miles, 1995; Whitmarsh and Sawyer, 1996) - un domaine d exposition de manteau suite au fonctionnement d une ou plusieurs structures d extension (Beslier et al., 1996; Krawczyk et al., 1996; Pickup et al., 1996; Discovery 215 Working Group, 1998; Chian et al., 1999; Dean et al., 2000). Peron-pinvidic A l heure actuelle, du point de vue géologique, les caractéristiques de la TOC se résument à «la présence d'une zone de manteau subcontinental exhumé à composition variable, recouvert localement par des allochtones d'origine continentale et par des brèches tectono-sédimentaires» D après Peron-pinvidic

18 Marge continentale passive divergente non-volcanique Architecture sédimentaire zone proximale La séquence sédimentaire est généralement subdivisée en trois catégories (nomenclature classique Prosser (1993)): - Les sédiments prérifts (antérift): dépôt avant toute déformation liée au rifting. Tout comme la C.C., ils sont faillés et basculés durant la phase de rifting. - Les sédiments synrifts : dépôt au cours du rifting (s.s.), pendant l activité tectonique d extension. Forment des éventails sédimentaires au pied de la faille bordière. - Les sédiments postrifts : premiers sédiments à se déposer sur la C.O. Ils recouvrent la marge, en lissant la topographie.! Ils sont sub-horizontaux sans aucun épaississement ou convergence de réflecteurs. D après Peron-pinvidic Discordance sédimentaire du «breakup»ou post-rift = Séparation entre les sédiments pré- et synrift et les sédiments post-rift Définition initiale: surface de non dépôt ou d érosion dont le hiatus sédimentaire est significatif. Elle sépare des sédiments plus anciens de sédiments plus jeunes (Falvey, 1974; Driscoll et al., 1995), Considérer comme limite temporelle et spatiale de la rupture lithosphérique (indicateur de la fin du rifting) Exemple d image sismique (Marge ouest-ibérique) 18

19 Marge continentale passive divergente non-volcanique Architecture sédimentaire zone distale et TOC Nouvelles observations mise en cause des concepts basés sur l architecture sédimentaire Intervalles sédimentaires syn- et post-rifts : Les «structures en éventail», interprétées comme séquence «synrift», non limitées au domaine continental, mais également observées dans la TOC et sur la croûte océanique. terme utilisé = sédiments syn-tectoniques Pour une meilleure caractérisation des différentes phases de rifting, distinguer les sédiments "syn-formation de la marge proximale", "syn-formation de la marge distale", "syn-basculement des blocs continentaux", syn-exhumation mantellique" (Peron-Pinvidic, 2006) Discordance sédimentaire de breakup ou post-rift «La rupture continentale n est pas une frontière géographique donnée, mais coïncide avec la mise en place d une large zone transitionnelle (> 160 km).» Peron-Pinvidic (2006) «La discordance sédimentaire de breakup n est pas une limite temporelle mais graduelle (marge ibérique ~ 20 Ma)» Peron-Pinvidic (2006) Peron-pinvidic

20 Marge continentale passive divergente non-volcanique Structure - connaissance géologique en ce début de 21 ème siècle Synthèse: Leurs caractéristiques Marge Iberie-Terre Neuve d après VanAvendonk et al. (2009); Péron-Pinvidic and Manatschal (2009); Manatschal and Müntener (2009) Peu ou pas de magmatisme. Croûte océanique anormalement fine. Croûte continentale amincie caractérisée par des blocs de socle, bordés de failles normales (à regard vers l océan). Partie distale caractérisée par une croûte continentale fortement amincie et une TOC TOC de dimension non négligeable : à caractère ni océanique ni continental. Croûte transitionnelle avec des vitesses sismiques de propagation anormales ( km/s). Présence de manteau serpentinisé. Système sédimentaire complexe (pre-, syn- et post-rift; dépôt de type SAG) Marges distales conjuguées asymétriques et complexes Evolution tectonique et magmatique polyphasées ; Evolution isostasique et thermique complexes Manteau océanique Manteau enrichi Manteau sub-continental (hérité) Nouvelles observations impliquent des changements importants dans les modèles de formation. 20

21 Marge continentale passive divergente non-volcanique Quelques exemples Marge continentale passive non-volcanique française ex: Golfe du Lion / Marge de Sardaigne Coupe schématique des marges conjuguées (Résultats de la campagne Sardinia) Coupe de vitesse de propagation [Gailler et al. (2009)] 21

22 Marge continentale passive divergente non-volcanique Quelques exemples Marge continentale passive non-volcanique française ex: Marge armoricaine (Golfe de Gascogne) Profil de sismique réflexion interprété Thinon, 1999; Thinon et al.,

23 Marge continentale passive divergente non-volcanique Quelques exemples Faille de forts pendages Quand et où? Exhumation du manteau Relations avec les processus magmatiques? Failles de détachement au toit du socle Quand et comment se forment-elles? Marge fossile (Alpes) Observation des structures du rifting et leurs relations avec les sédiments D après Manatschal,

24 Marge continentale passive divergente volcanique Gernigon et al. (2005) 24

25 Marge continentale passive divergente volcanique Où les trouver? Germigon (2005) Marges continentales passives volcaniques font partie des grandes provinces ignées, qui se caractérisent par des emplacements massive de roches extrusives mafiques et des roches intrusives sur des périodes de temps très courtes (White & McKenzie, 1989; Menzies et al., 2002). 25

26 Marge continentale passive divergente volcanique Leur structure Coupe schématique type d une marge volcanique Geoffroy, 2005 Lors de sa formation, activité volcanique importante dominée principalement par des magmas tholéïtiques Croûte océanique épaisse Grand volume de magma mis en place à la TOC durant les premiers stades d'accrétion. SDR (seaward-dipping reflector) = réflecteurs sismiques inclinés vers le large (SDR océanique, externe, interne) White, 1992 Linedrawing (interprétation de profil sismique) Traps pre-breakup Présence de nombreux sill/dyke intrudant le bassin sédimentaire pre-breakup 26

27 Marge continentale passive divergente volcanique Leur structure Coupe schématique type d une marge volcanique Geoffroy, 2005 C.C. amincie caractérisée par des blocs basculés le long de faille à regard vers le continent. Les failles qui accommodent l'extension sont en partie synmagmatiques et sont associées au développement d anticlinaux en roll-over, d échelle crustale. Présence d une croûte inférieure ayant des vitesses sismiques de propagation anormales ( km/s), appelée LCB [lower crustal bodies] (Planke et al., 1991; Eldholm et al., 2000). LCB souvent localisé le long de la TOC mais peut s étendre sous la croûte continentale. Absence de forte subsidence durant et après la Breakup Modèle de vitesse le long d un profil perpendiculaire à la marge 27

28 Marge continentale passive divergente volcanique Leur structure. Ex: marge de Norvège et du Groenland Groenland 20 km Profil de sismique réflexion, Hopper et al. (2003) SDR Présence d un corps sous-plaqué de vitesse anormale ( km/s) Zone d amincissement crustal étroite 50 km modèle de vitesse sismique de propagation Hopper et al. (2003) 28

29 Marge continentale passive divergente volcanique Leur structure. Ex: marge de Norvège et du Groenland Vôring - Norvège Plateau de Rockall Plateau de Vöring SDR Présence d un corps sous-plaqué de vitesse anormale ( km/s) Faille normale à regard vers le continent. Sill magmatique dans le bassin sédimentaire pré-breakup Zone d amincissement crustal est large 29

30 Marge continentale passive divergente volcanique Leur structure. Ex: marge de Norvège et du Groenland Groenland Vôring - Norvège Plateau de Rockall Modèle de vitesse sismique des marges conjuguées (groenland/rockall). SDR Présence d un corps sous-plaqué de vitesse anormale ( km/s) Failles normales à regard vers le continent Marge continentale passive volcanique est asymétrique et complexe 30

31 Marge continentale passive Leur formation 31

32 Marge continentale passive Leur formation Stade initial Cause de l amincissement lithosphérique initial = le rifting formation de rifts (fossés d effondrement) Stade «rift»: rift actif ou passif Naissance des marges conjuguées = le drifting accrétion océanique Stade Marge passive Jeune Mature D après M. Seranne cours MasterI Montpellier 32

33 Marge continentale passive Leur formation : stade rift Mode d amincissement Deux phénomènes peuvent être à l origine de l amincissement initial : Rifting actif ou passif (Sengor and Burke, 1978) Rifting actif : phénomène thermomécanique mettant en jeu l apparition d une anomalie thermique (ex: plume mantellique ). Il est dirigé par la convection du manteau asthénosphérique chaud qui remonte sous la base de la lithosphère continentale induisant : amincissement de la plaque lithosphérique Bombement régional de la plaque lithosphérique Rifting passif : phénomène dynamique mettant en jeu des contraintes surtout horizontales au sein de la lithosphère qui trouvent leur origine aux limites de plaque. extension de la croûte et du manteau lithosphérique amincissement important au niveau de la remontée du manteau asthénosphérique. Note : l asthénosphère remonte de manière passive en réponse à l amincissement de la lithosphère. D après L. Barrier (2009) et Peron-pinvidic (2006) 33

34 Marge continentale passive divergente non-volcanique Leur formation : du rift aux marges anciens modèles Mode d amincissement La réponse mécanique de la lithosphère aux contraintes d extension est variable. Lieu d amincissement max Principalement 2 mécanismes proposés pour expliquer l accommodation de l extension par la lithosphère : cisaillement pur et cisaillement simple. Amincissement symétrique et homogène dans toute la lithosphère marges continentales passives conjuguées identiques Phase de subsidence initiale ~ simultanée de l étirement Amincissement asymétrique dans toute la lithosphère La remontée max. du manteau lithosphérique n est pas à l aplomb de la zone d amincissement max. de la croûte. marges continentales passives conjuguées asymétriques Modifié d après Ziegler, 1994 et Barriers Amincissement asymétrique dans la croûte et symétrique dans le manteau supérieur. La CC inférieure et le manteau se déforment ductilement. marges continentales passives conjuguées asymétriques

35 Marge continentale passive divergente non-volcanique Leur formation : du rift aux marges nouveaux modèles VanAvendonk et al. (2009); Péron-Pinvidic and Manatschal (2009); Manatschal and Müntener (2009) Amincissement Accrétion océanique étirement Modélisations numériques et analogiques Kusznir & Manatschal, 2010? 35

36 Marge continentale passive divergente volcanique Leur formation : du rift aux marges modèles Mode actif Stade de rift Volcanisme + Trap Rupture et accrétion océanique Geoffroy, 2005 Les concepts de rifting actif sont appliqués à la formation des marges continentales passives volcaniques 36

37 Marge continentale transformante Marge continentale oblique à hyper-oblique Golfe du Lion. Source (Ifremer, SHOM) MNT (BRGM) 37

38 Marge continentale transformante/oblique Généralités Mercier de Lépinay al., à 30% des marges passives sont des marges passives transformantes/obliques Ont été très peu étudié par rapport aux marges divergentes (Loncke, 2011 d après Patriat) 38

39 Marge continentale transformante/oblique Généralités Mercier de Lépinay al., à 30% des marges passives sont des marges passives transformantes/obliques Ont été très peu étudié par rapport aux marges divergentes (Loncke, Regain 2011 d après d intérêt Patriat) ces années cibles importantes pour la prospection pétrolière 39

40 Marge continentale transformante Définitions - Zone de transition entre une masse continentale et la croûte océanique, qui se crée au sein de la même plaque lithosphérique - Lieu où la croûte continentale s amincie (30 -> 0 km) - Induit par des contraintes de distension obliques à parallèles à la limite séparant les deux masses continentales - Localisées dans le prolongement d anciennes zones de fractures océaniques : les failles transformantes. - Liées aux spécificités et évolution des systèmes transformants et obliques Loncke (Modified from Sage et al., 1997 & 2000) Faille transformante: - une partie active (faille transformante océanique) - une partie passive (plus de mouvement décrochant) 40

41 Marge continentale transformante Formation C.C. C.C. amincie C.O. Marge divergente Marge transformante Marge transformante Syn-rift M. transformante intracontinentale M. transformante intracontinentale Discordance post-rift M. transformante intracontinentale M. transformante intracontinentale Post-rift M. transformante active Discordance post-transform M. transformante passive M. transformante intracontinentale M. transformante active Discordance post-transform M. transformante passive (Loncke, 2011 d après Patriat) Scrutton (1979); Mascle et Blarez (1987) Activité tectonique décalée polyphasée et diachrone 41

42 Marge continentale transformante Caractéristiques Pente continentale: m Pente linéaire, étroite et raide (Marge de Ghana > 10, peut atteindre 20 ou 30 ) Pente érosive Carte des pentes : Ex. Côte d Ivoire Ghana (Mercier De Lépinay) Nombreuses instabilités gravitaires Nombreuses sorties de fluides 42

43 Marge continentale transformante Caractéristiques - Ride marginale ou structure analogue => bordure qui piège les sédiments - Basculement tardif de la marge vers le large Moulin et al., 2010; Exemple Côte d Ivoire -Ghana Mascle et Basile, 1998 Basile,

44 Marge continentale transformante Caractéristiques TOC abrupte ; dénivelé important du Moho (10-12 km sur une distance de 10km) Contrastes importantes entre 2 lithosphères différentes (nature, âge, épaisseur, rhéologie, Thermicité) 44

45 Marge continentale oblique Marges obliques Segments transformants au sein d un système oblique Zone de relais oblique Segmentation de la marge Zone de relais oblique Notion de rift oblique Obliquité avec la direction du rift Obliquité avec les structures de la marge Structures en échelon Sans partitionnement Avec partitionnement ε // u ε // u Bot, Geoffroy et al., 2013 ε 1 u 45

46 Marge continentale oblique Ex: Golfe d Aden Pik et al.; Bellahsen et al., Autin et al tectonophysics N

47 Marge continentale oblique Ex: Golfe de Californie Marge jeune Drake, Accrétion océanique (à partir de ~3.6 Ma (Sud)) propagation vers le nord en bassins en pull-apart délimités par des failles transformantes de grande dimension - Sur la marge Failles normales à fort pendage (N90E à N130E); Fonctionnement des failles de Tosco-Abreojos Michaud et al, 2004 Bot, Geoffroy et al.,

48 Sédimentation des marges continentales Une marge continentale est le lieu où les sédiments transitent du continent à la plaine abyssale (d après Kendall, 2001) Références bibliographiques: Cours de Barrier Guillocheau et al. (2003) Vail et al., 1977 Guillocheau, 1994 Nalpas, 2002 Homewood et al., 2000 Eléments de sédimentologie et de Pétrologie sédimentaire» univ. de liège Peron-pinvidic- 2006

49 Sédimentation des marges continentales La sédimentation des marges est en grande partie influencée par des facteurs externes tels que le climat, l érosion ou la circulation océanique. Elle est également directement sous la dépendance de la subsidence de la lithosphère et des structures tectoniques actives ou héritées. Transfert de matière et processus agissants sur une marge

50 Sédimentation des marges continentales Nature des dépôts 2 types de sédimentation: détritique / carbonatée Erosion Dépôts Transfert Sédimentation détritique Issu principalement de l érosion des continents (terrigène) et de squelettes d organismes vivants (biodétritique). Sédimentation carbonatée Issu de la production biologique de l'océan (plancton). Taux de sédimentation ~ 30 cm/ka sauf delta du Mississipi ~ 4 m/ka) Taux de production très élevé: 1m/Ka Diversité des plates-formes variation des facteurs de l'environnement : la morphologie, l'hydrodynamisme, les apports, le climat,... Mais surtout de l accommodation d une marge. Diversité des plates-formes variation des facteurs de l'environnement : la morphologie, l'hydrodynamisme, le chimisme (salinité, oxygénation), la pénétration de la lumière.

51 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts carbonatées Sédimentation carbonatée sur le plateau continental On distingue: 1. Plateau continental calcaire et plateforme insulaire calcaire : Vastes zones d accumulation de débris/squelettes calcaires d'organismes (plancton). 2. Les récifs coralliens se retrouvent sur les plateaux continentaux calcaires ou les platesformes insulaires en zone tropicale. - Barrière récifale sur le rebord du plateau - Récifs insulaires ou des atolls Bahamas (Y. Arthus-Bertrand) "Grand Trou Bleu" dans l'atoll de Belize Sédimentation au niveau de la plaine abyssale Loin du continent, particules détritiques fines et éléments planctoniques Eléments planctoniques : débris carbonatés et siliceux. Particules terrigènes : argiles d'origine continentale apportées en suspension par les courants océaniques et poussières transportées par les vents. Dans les hautes latitudes s'ajoutent les matériaux glaciaires apportés par les glaces flottantes et les vents «Eléments de sédimentologie et de Pétrologie sédimentaire» univ. de liège. 51

52 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts détritiques Plateau continental interne (Faible bathymétrie - bordure littorale) La distribution et l architecture des sédiments meubles sont fonctions des courants, vagues et marées du volume d apport des sédiments. Zonation bathymétrique du plateau Hydrodynamisme du milieu -> Formes sédimentaires Rides de vagues Rides de courant 500 m 15 m Zonation fonction de l action de la marée zone supratidale, au-dessus du niveau moyen de la marée haute zone intertidale = zone de balancement des marées zone infratidale, en-dessous du niveau des basses mers. Zonation fonction de l action de la houle Zonation fonction de l action du courant Dunes (mégarides) Plans parallèles Antidunes «Eléments de sédimentologie et de Pétrologie sédimentaire» univ. de liège. 52

53 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts détritiques Plateau continental interne (Faible bathymétrie - bordure littorale) Stratifications obliques dans un grès du Paléozoïque inférieur, Kalbarri, Australie stratifications obliques, crées par des courants de direction constante Formes sédimentaires -> Hydrodynamisme du milieu «Eléments de sédimentologie et de Pétrologie sédimentaire» univ. de liège. 53

54 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts détritiques Plateau continental interne (Faible bathymétrie - bordure littorale) La sédimentation littorale à l approche des embouchures Proust et al geosciences N 17 Dynamique des côtes sableuses. Idier et Thiébot, 2013 (Géosciences N 17) 54

55 Sédimentation des marges continentales Erosion/incision Erosion et incision sur le plateau continental Présence de réseaux de vallées incisées sur le plateau au large de fleuves actuels (ex: paléo-loire). Ces paléo-vallées sont généralement comblées par des sédiments récents. Marqueurs des baisses du niveau marins successifs associés aux variations glacio-eustatiques du Quaternaire Thinon et al Proust et al.,

56 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts détritiques Sédimentation détritique : pente continentale/glacis/plaine abyssale Dépôts turbiditiques 1. Glissement de terrain mobilise une grande masse de sédiment: Structures de slumps (sédiment peu déstructuré) 2. Debris flow: écoulement plastique où les particules sont supportées par une matrice. Débris de toute taille. Mal classés. 3. Ecoulement mixte: des sédiments érodés sont incorporés à la masse glissée. La densité et la vitesse augmentent; 4. Courant de turbidité se développe (fluide où les particules sont maintenues en suspension par la turbulence seule). Ils ont un grand pouvoir de déplacement (vitesse de 25 à 100 km/h f(pente); une grande extension des dépôts (> km 2 ); et un grand pouvoir de transport (> 200 km 3 sédiment). Dépôt de turbidites: dépôts dont le mode de transport est un courant de turbidité. Sédiments plutôt fins. Granoclassées. Epaisseur variant de quelques cm à 1 mètre; «Eléments de sédimentologie et de Pétrologie sédimentaire» univ. de liège. 56

57 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts détritiques Sédimentation détritique : pente continentale/glacis/plaine abyssale Dépôts turbiditiques Classes de turbidites = f(granulométrie et éloignement par rapport à la source des sédiments) selon Shanmugam, 1997 «Eléments de sédimentologie et de Pétrologie sédimentaire» univ. de liège. séquence idéale de turbidite de moyenne densité ("séq. de Bouma"). Terme A (le + grossier) = chenaux de turbidites; Termes B-D = lobe proximal, Terme E =le lobe distal. 57

58 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts détritiques sur le plateau continental Diversité des plates-formes : variation des facteurs de l'environnement : la morphologie, l'hydrodynamisme, les apports, le climat,... Mais surtout de l accommodation d une marge. Duvail (2008) 58

59 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts sur le plateau continental L accommodation (A) = volume disponible entre le niveau marin et le fond du bassin. Il dépend de 3 facteurs. Le flux sédimentaire (S) : quantité de sédiments déposés en fonction du temps. Le niveau eustatique ou niveau moyen des mers. Oscillations traduisent des interactions entre des phénomènes tectoniques et/ou climatiques (périodes glaciaires et interglaciaires). La subsidence, enfoncement progressif de la marge Ces trois facteurs agissent ensemble, mais c est le facteur le plus variable (souvent le niveau eustatique) qui contrôle l accommodation d une marge continentale F(x,t) F(t) Plus le niveau eustatique est élevé, plus l accommodation augmente Plus le flux est élevé, plus l accommodation diminue F(x,t) Plus la vitesse d enfoncement est élevée, plus l accommodation augmente Guillocheau et al. (2003) Cours de Barrier 59

60 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts détritiques sur le plateau continental Architecture stratigraphique Fonction de l espace disponible pour l accumulation des sédiments et du volume de ces sédiments (flux sédimentaire). Il faut comparer le rapport A/S A > S Accumulation de dépôts de plus en plus près du continent; Ligne de rivage recule A = S L espace disponible est aussitôt rempli par les sédiments. Ligne de rivage ne varie pas A < S Accumulation de dépôts en progression vers le large Ligne de rivage avance vers le bassin A = 0 Le bassin se comble petit à petit. Ligne de rivage avance vers le bassin S > l espace disponible Ligne de rivage avance vers le bassin Erosion Homewood et al. (1999) 60

61 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts détritiques sur le plateau continental La notion d accommodation est un apport majeur des concepts de La stratigraphie séquentielle Méthode pour accéder aux relations géométriques et chronologiques à l intérieur d ensemble sédimentaire Développée à partir des méthodes de stratigraphie sismique et des concepts du modèle d Exon (Vail et al. 1977) Principe: Les séries sédimentaires s organisent en une succession logique de séquences de dépôt essentiellement contrôlées par les fluctuations du niveau relatif marin (eustatisme + tectonique). Les séquences de dépôt sont basées sur les discordances (diachrones) liées à la chute du niveau marin (disc. régressives). Entre 2 discontinuités, la sédimentation est supposée continue. Stratigraphie génétique (Galloway, 1989, Homewood et al., 1992): Notion de séquence stratigraphique génétique définie entre 2 surfaces de transgression maximum. Les séquences de dépôt caractérisent des cycles d avancée et de recul de la ligne de rivage. Se rapprochent des lignes temps. Séquences sismiques (Vail et al., 1977) Schématisation de concepts de la stratigraphie séquentielle sedim/compl_sedim.htm#str ATIGRAPHIE SEQUENTIELLE Le cycle de variation du niveau marin relatif peut être reconstitué par l analyse des géométries des séquences sismiques.

62 Sédimentation des marges continentales Architecture des dépôts sur le plateau continental Stratigraphie séquentielle Reconstitution de l évolution des paysages passés (4D) Exemple de séquences sismiques (Brésil) Pino-Moréna, 1998

63 Pourquoi étudier les marges continentales?

64 Pourquoi étudier les marges? Répondre aux besoins sociétaux Granulats marins Quelques exemples. Les plateaux continentaux (domaine côtier/littoral) Aménagement du littoral Développement des infrastructures : tunnel sous la Manche, ponts, ports, Ressources minérales: granulats, Energies renouvelables (éoliennes/hydroliennes/,stockage énergétique, géothermie,..) milieu fragile Impacts environnementaux (pollution), zones submersibles (tsunamis, houles, tempêtes), érosion du littoral évolution du climat (élévation du niveau marin 50cm à 1m pour 2100) Les pentes continentales Risques (avalanches, tsunamis) Les marges (plateau domaines profonds) Ressources minérales et énergétiques: Pétrole, Gaz méthane, Hydrates de gaz; nodules polymétalliques (Mg, Ni, Cu, Co), encroutement cobaltifères,..) Zone protégée Tunnel sous la Manche Tsunamis Eolien Pont Géothermie Port Plateforme pétrolière 64

65 Pourquoi étudier les marges? Répondre aux besoins sociétaux Les ressources énergétiques fossiles Comprendre la formation des gisements de pétrole et de gaz, leur piège Comment repère t-on un gisement pétrolier potentiel? Plateforme pétrolière Recherche de nouveaux sites, pièges, Amélioration des outils d exploration, d extraction, de transport, 65

66 Pourquoi étudier les marges? Répondre aux besoins sociétaux Les granulats marins (Augris et Simplet, 2013 Geosciences N 17) Les ressources minérales matière première pour industrie de la construction Exploration Drague aspirante Titres miniers en cours et demandés Granulats marins = sables siliceux et calcaires, et algues calcaires (maërl). Les granulats siliceux secteur du bâtiment et travaux publics (BTP). Les granulats calcaires agriculture (amendement des sols) et traitement des eaux. Les réserves exploitables se limitent à ~2% du volume inventorié des ressources Exploitation (régie par le code minier) Impact temporaire ou permanent sur le milieu marin Quelques chiffres Consommation de granulats (379 Mt en 2011) Décroissance des granulats alluvionnaires (31% 2011) remplacée par les granulats concassés et recyclés. Intérêt croissant porté aux ressources en granulats marins représente 2% de la production (30milliards m3 disponibles entre 10 et 50m) Quantité annuelle de matériaux autorisée à l exploitation (arrêté préfectoral) en ,5 millions m 3 66

67 Pourquoi étudier les marges? Répondre aux besoins sociétaux Les ressources minérales Subduction océanique: le type de subduction détermine la nature du magma typologie des gisements associés A grandes échelles, les zones à faible pendage de la plaque plongeante sous les Andes correspondent aux zones aurifères les plus fertiles. Rifting: Apport thermique et failles favorisent les minéralisations. Le rifting (Tanzanie) associé à des éruptions de laves carbonatitiques, pauvres en silice et riches en terres rares, phosphore, niobium, uranium, thorium, etc. Position et fertilité des districts aurifères en fonction de l angle de la plaque en subduction (plan de Benioff). Billa et al. (2004). Sédimentation (géodynamique non impliquée) Roches sédimentaires d origine chimique Ex: Formations de fer rubanées formées lors du passage du fer ferreux (soluble) à l état ferrique (insoluble), liée à l oxydation progressive des océans. (principaux gisements de fer d Afrique ). Genèse et environnement de dépôt des formations de fer rubanées (BIF) Guillou-Frottier et al Géodynamique et ressources minérales. Géosciences n 15 Ressources minérales PDF téléchargeable sur le site BRGM 67

68 Pourquoi étudier les marges? Répondre aux besoins sociétaux Les énergies marines renouvelables Les énergies marines renouvelables - EMR (De Roeck, 2013 Geosciences N 17) Diversité Les marées o Installation dans estuaire (ex: usine marémotrice de la Rance) o PB: Forte anthropisation du milieu marin Exploration Exploitation, Installation et désinstallation Ex: parcs offshore d éolienne Energie hydrocinétique o Hydroliennes (hélices et turbines) dans les zones de forts courants de marée o Ex: Raz blanchard, La houle, les vagues (stade peu avancé) L éolien (seule exploitée de façon industrielle) o Parc éolien (100 éoliennes; 2GW + 1GW) o Fondation gravitaire ou fixée au sol o Très offshore: éoliennes flottantes L énergie thermique (ETM) o Pompage de l eau de mer à grandes profondeurs (électricité ou climatisation) et en surface (chauffage urbain) Bonne connaissance géologique Haute technologie - Captage d énergie - Transport - stockage 68

69 Pourquoi étudier les marges? Extension du plateau continental juridique français Le domaine maritime sous juridiction française (11 M km 2 ) constituent la Zone Economique Exclusive (ZEE) et le plateau continental de la France Article 76 de la Convention des Nations Unies sur le droit de la mer (Montego Bay, 1982) fixe les critères qui permettent à un état côtier de revendiquer un plateau continental et d en fixer les limites. Ces critères sont basés sur la morphologie, la bathymétrie et la géologie. Critères de sélection à 60 milles du pied de pente ; à une distance de 100 milles de l'isobathe 2500 m. Epaisseur de la couverture sédimentaire (= au centième au moins de la distance entre le point considéré et le pied de pente) ; à une distance de 350 milles des lignes de base à partir desquelles la largeur de la mer territoriale est mesurée Projet EXTRAPLAC : Ce programme a réalisé et déposé les dossiers auprès des Nations Unies avant le 13 Mai 2009 pour être examinés par la Commission des Limites du Plateau Continental. Il devrait permettre à la France d augmenter son domaine maritime de plus de 1.5 Million de km 2 69

70 Méthodes d investigations Prélèvements (nature et datation) Carottages (roches et sédiments) Forages Moyens géophysiques (géométrie, propriété physique du milieu, ) Gravimétrie/Magnétisme Imagerie acoustique Sismique réflexion Sismique réfraction Observation à terre (marges fossiles ) C. Jackson Virtual Seismic Atlas

71 Méthodes d investigations Acquisition de données Pourquoi-Pas? (Ifremer/SHOM) 107m Marion Dusfresne II (IPEV) - 120m Navires hauturiers, côtiers TETHYSII (INSU) 25m Haliotis (Ifremer)- 10m Positionnement plus précis : DGPS, GPS Forte évolution des technologies d acquisition et dans leur traitement 71

72 Méthodes d investigations Données de base : bathymétrie (Topographie et morphologie du fond marin) Sondes hydrographiques ou Levé monofaisceau Levé multifaisceaux SMF (grand/petit-fond) + imagerie acoustique Sondes (SHOM) Bathymétrie MNT 50M Guennoc et al Bathymétrie MNT 5M Guennoc et al Sources: sondes hydrographiques (SHOM) Sources: SMF petit fond Mosaïque Imagerie acoustique Sources: SMF petit fond Guennoc et al

73 Méthodes d investigations Données de base : bathymétrie (Topographie et morphologie du fond marin) Quelques exemples 73

74 Méthodes d investigations Données de base : bathymétrie (Topographie et morphologie du fond marin) Quelques exemples 74

75 Méthodes d investigations Données de base : bathymétrie (Topographie et morphologie du fond marin) Laser aéroporté (LIDAR) : Altimétrie continue terre-mer Fournir un modèle altimétrique précis, continu terre-mer pour toutes les applications littorales Emprise du référentiel terre : altitude 10 m et au moins 2 km à partir du trait de côte mer : isobathe 10 m (étendu à 20 / 30 m dans certaines zones) Sur terre / Levé LIDAR topographique précision verticale meilleure que 20 cm (95%) résolution métrique filtré du sursol Bathymétrie MNT 50M Sources: sondes hydrographiques (SHOM) Litto 3D (SHOM): Golfe du Morbihan Bathymétrie MNT 5M Sources: SMF petit fond En mer/ Levé LIDAR bathymétrique précision verticale meilleure que 50 cm (95%) résolution 5 m 75

76 Méthodes d investigations Approche géophysique : imagerie acoustique Levé de sonar latéral : Fournir des cartes de réflectivité acoustique du fond-marin Cartographie des sédiments (structures sédimentaires, signature acoustique (faciès), zone de roches) Montre parfois la structuration des zones rocheuses. Epaves et blocs rocheux (Pluquet, 2005) (Pluquet, 2005) Structure sédimentaire + herbier (Pluquet, 2005) Structuration des micaschistes (Thinon, 2010) 76

77 Méthodes d investigations Approche géophysique: propriété physique du sous-sol Gravimétrie Magnétisme Mesure le champ de pesanteur qui permet de déterminer des anomalies de densité dans le sous sol. Fournir des cartes d anomalie gravimétrique (anomalie de Bouguer) Mesure le champ magnétique ambiant = champ magnétique terrestre + champ magnétique généré par les roches du sous-sol (fonction susceptibilité). Fournir des cartes d anomalie magnétique Gailler et al., 2013 Thinon et al.,

78 Méthodes d investigations Approche géophysique: Géométrie des formations du sous-sol Sismique réflexion Géométrie du sous-sol (2D à 3D) Source Flûte sismique multitrace Exemple de profil sismique réflexion haute résolution (BRGM) 2D flûte sismique multitrace ( traces) Flûte sismique monotraces 3D 78

79 Méthodes d investigations Approche géophysique: Géométrie des formations du sous-sol Sismique réflexion Puissance de la source utilisée est fonction de l objet géologique à visualiser Profondeur Puissance Résolution Canon à air 80 à 210 bars Seul ou en batterie (ex: Matériel Ifremer) Compresseur (ex: matériel INSU) Sparker (étinceleur) ( J ; brins Boomer Seistec 79

80 Méthodes d investigations Approche géophysique: Géométrie des formations du sous-sol Imagerie de basse à très haute résolution des objets géologiques Exemple de différentes résolutions sismique Ex: Marge du Golfe du Lion 2250 m 750 m 75 m ECORS Sismique pétrolière Baie du Mont St-Michel Sismique Haute résolution BRGM-Univ. Montpellier (2008) 7.5 m Séminaire OSUC Sismique Très Haute résolution Univ. Caen Tessier B. 05/11/

81 Méthodes d investigations Approche géophysique: Géométrie des formations du sous-sol Traitement Profil de sismique réflexion Boomer traité (BRGM, I. Thinon) Adaptation filtre de Houle soussu (Mary & Chaumillon, 2004) ~ 7 m 81

82 Méthodes d investigations Approche géophysique: Géométrie des formations du sous-sol Interprétation Duvail (2008) 82

83 Méthodes d investigations Approche géophysique: sismique réfraction Loi de vitesse de propagation sismique Modèle de vitesse sismique le long d un profil 83

84 Méthodes d investigations Approche géologique: contrôle terrain Photos-vidéos Prélèvements bennes Carottier à sédiments (INSU) ~ 3-5 m Carottier à roche Photo I. Thinon BRGM 84

85 Méthodes d investigations Approche géologique: contrôle terrain Sous-marins ou engins ROV Forages (IODP, DSDP, ODP, pétroliers) Photo Ifremer Carottier géant à sédiment < 60 m de long ; z < 5000m Le Calypso (Marion Dufresne II, IPEV) Photo I. Thinon BRGM Photo WEB 85

86 Merci pour votre attention