Méditerranée occidentale

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1 Problématiques scientifiques Jacques Déverchère 2014 Méditerranée occidentale 1. Nature géologique de la Méditerranée occidentale: variabilité spatiale, histoire 2. Naissance et disparition des océans: chronologie, importance des mouvements, forces en jeu 3. Rhéologie continentale et océanique: quelles conséquences sur le mode de déformation et sur l évolution des limites de plaques et des zones de déformation diffuse? 4. Relations surface-profondeur 5. Relations terre-mer PLAN 1. Introduction: faits géologiques et géophysiques marquants Déformations actuelles: séismes, GPS Chaînes, roches volcaniques et HP Le messinien (MSC) 2. Reconstructions cinématiques Visions conceptuelles : origine des bassins récents Reconstructions semi-quantitatives Reconstruction quantitative (Schettino & Turco, 2006) Modèles géodynamiques pour la mer d Alboran 3. Analyses terre-mer régionales Zooms sur la côte du Maghreb 4. Réflexions finales sur le «roll-back» 1

2 1. Introduction Séismes: une limite diffuse, des séismes majeurs à terre et en mer Eurasie Sismicité Afrique Serpelloni et al., 2007 Suture Zone Interne-Zone Externe Domzig et al., 2006 PROBLEMATIQUE TERRE-MER (Maouche et al., 2009) «Tsunami earthquakes» (Stich et al., 2003) 2

3 Mécanismes au foyer et tenseurs: un «serrage» (Biggs et al., 2006) (Stich et al., 2003) Sommation des tenseurs de moment: orientation des axes P et T (Serpelloni et al., 2007) 3

4 Shmax (Fernandez-Ibanez et al., 2007) Régimes de contrainte locaux (Fernandez-Ibanez et al., 2007) 4

5 Interférences entre différentes sources de contraintes (différentes épaisseurs de la croûte et de sédiments, présence de la TASZ = Trans-Alboran Shear Zone, NE-SW (Fernandez-Ibanez et al., 2007) TASZ Schéma tectonique et de partage de déformation en Alboran Rotations de contrainte par rapport au champ de contrainte régional (Fernandez-Ibanez et al., 2007) Données magmatiques et géochimiques 1: Tholéïtes 2-3: calco-alcalin 4: shoshonites Savelli (2002) Suggère l influence d une subduction au Miocène-PQ Méditerranée occidentale Réhault et al. (1984) Lonergan & White (1997) 5

6 GPS: confirmation une part «offshore»? Eurasie E. Calais Pers. Comm Afrique Les limites du modèle Nubie/Europe Prédictions géologiques et géodésiques: (Serpelloni et al., 2007) Un changement de direction et de vitesse depuis 3 Ma? Rotation anti-horaire de 20, décroissance de vitesse de 20% (Calais et al., 2003) 6

7 2 transects indicateurs d une déformation significative en mer (Serpelloni et al., 2007) GPS: un part offshore? Eurasie 0.0 ± ± ± ± ±0.9 mm/an Afrique Serpelloni et al., 2007 Suture Zone Interne-Zone Externe Réponse: oui: peut-être 1/3 à ½ du racourcissement horizontal Afrique-Europe 7

8 Un «facteur» spécifique: la Crise de Salinité Messinienne (MSC) 5.9Ma -Une crise hors norme, de 5.7 à 2.6 Ma (crise s.s. de 5.9 à 5.3 Ma) -Une forte empreinte à terre et en mer 5.32Ma 2.6Ma 0 Late Miocene Fluvial aggradation I Late Miocene abandonment surf. II Messinian Erosional Unconformity II Evaporites deposition III Pliocene flooding IV Pliocene Gilbert delta progradation V Late Pliocene (Zanclean) Abandonment Surface Contrôle eustatique + tectonique Clauzon et al Messinien (MSC) Empreintes à terre: séries évaporitiques de bassins marginaux, canyons messiniens, remplissages pliocènes Canyons messiniens et/ou Gilbert deltas Pliocène Rhone autour de la Méditerranée Ebre Nil Connus et publiés Etudiés En cours d étude Identifiés D après carte Hachette, J-L. Rubino,

9 Messinien (MSC) Synthèse récente: nomenclature uniforme Rôle important du diapirisme salifère Détritisme variable Lofi et al., 2011 Jacques Déverchère Reconstructions cinématiques de l Ouest Méditerranéen A. Visions conceptuelles : origine des bassins récents B. Reconstructions semi-quantitatives C. Reconstruction quantitative (Schettino & Turco, 2006) D. Modèles géodynamiques pour la mer d Alboran E. Conclusions 9

10 2A. Visions conceptuelles : origine des bassins récents Situation précédant la formation des bassins récents CONCEPTS: - Dérive continentale - Rotation de microplaques - Migration de subduction Visions avant l ouverture des bassins au Cénozoïque (d après Rosenbaum et al., 2002) -> un océan Téthys -> une «lanière» continentale qui sera dispersée 2A. Visions conceptuelles : origine des bassins récents 0 Ma 4 Ma 11 Ma 15 Ma Océan néogène 18 Ma 35 Ma 10

11 2B. Reconstructions semi-quantitatives Subduction de la lithosphère océanique de la plaque Ibérie (océan bétique-pennique) sous le «Terrane»: Subduction «alpine» Michard et al., 2002 Gelabert et al., 2002, Gueguen et al., 1998 Collision Ibérie/Terrane et subduction de la lithosphère océanique africaine sous le Terrane: subduction «apenninique-maghrébine» Collage de l ALKAPECA sud sur les deux continents Rifting et effondrement du Terrane Alboran : formation du bassin d Alboran Q: Modalités du «collapse» Alboran? Remontée des roches HP? Un bloc («terrane») : ALKAPECA entouré de 2 branches océaniques (océan bétique-pennique et océan magrébin) -> subduction diachrone à double vergence autour d Alboran -> Plaque Alboran quasi «en place» -> Compatible avec le roll back -> Rôle limité d une subduction «atlantique» 2B. Reconstructions semi-quantitatives Mauffret et al., 2004 : 23 Ma ALKAPECA = avant-arc unique reculant d abord vers le SE puis déplacement tardif du bloc Alboran -> Plaque Alboran : D abord en position septentrionale, lente migration avec le slab vers le sud Puis déplacée de près de 600 km vers l ouest après 16 Ma -> Compatible avec le roll-back -> Rôle majeur du roll-back atlantique 16 Ma Q: Signature du déplacement de la plaque Alboran? Nature des marges? Volumes? Compatibilités cinématiques? 11

12 2B. Reconstructions semi-quantitatives Mauffret et al., 2004 Ce modèle suppose une bande de 560 km de croûte océanique formée entre 16 et 8 Ma: 10 cm/an 8 Ma Q: Signature du déplacement de la plaque Alboran? Implications sur la nature des marges? Volumes respectés? Magmatisme d Alboran? Croûte Alboran Est? Compatibilités cinématiques? 2C. Reconstruction quantitative (Schettino & Turco, 2006) Nouvelle interprétation des anomalies magnétiques: Chrones C13n à C6n «Black circles are control points along identified transform faults (thin small circle arcs )» 12

13 Données ESP, intégration géologique Ma Ma 23 Ma Calcul par coupes équilibrés -> angles de fermeture et de rotation prérift associés aux pôles d Euler, 11 plaques 16 Ma 2C. Reconstruction quantitative (Schettino & Turco, 2006) 30 Ma Chrone C13n à C6n. Nouvelle interprétation des anomalies mag. 23 Ma Données ESP, intégration géologique Calcul par coupes équilibrés -> angles de fermeture et de rotation prérift associés aux pôles d Euler 16 Ma 13

14 2C. Reconstruction quantitative (Schettino & Turco, 2006) 26 Ma 23 Ma 16 Ma 2C. Reconstruction quantitative (Schettino & Turco, 2006) 21 Ma 23 Ma 16 Ma 14

15 2C. Reconstruction quantitative (Schettino & Turco, 2006) 19 Ma 23 Ma? 16 Ma «In contrast with models that assume a late opening of the Algerian Sea we propose that this basin formed during the last phase of the rotation of Sardinia and Corsica» -> Ouverture bassin algérien: pendant la dernière phase de rotation corso-sarde - Q: Et Alboran? 2D. Modèles géodynamiques pour la mer d Alboran -> Variété des modèles pour expliquer la structure profonde de la mer d Alboran 23 Ma Torné et al., 2000 Calvert et al. (2000) 16 Ma Slab break-off Bétique 15

16 2D. Modèles géodynamiques pour la mer d Alboran -> Modèle du Slab Roll-back (Duggen et al., 2004) 23 Ma Limite Oligocène-Miocène (24 Ma) : Collision du Microcontinent Alboran dans les chaînes Bétiques et Rif. provoquerait de l anatexie crustale Cause: «Collapse»? Fin Miocène : Fixation du bloc d Alboran entre l Ibérie et l Afrique Arrêt/ Ralentissement du Roll Back 16 Ma Evolution géodynamique de la zone Alboran 2D. Modèles géodynamiques pour la mer d Alboran Subduction-Transform Edge Propagator (STEP): Govers et al., Ma Gutscher (2004) Fin Miocène Quaternaire: * Réouverture du détroit de Gibraltar 16 Ma * Reprise du Rollback vers l Ouest Volcanisme alcalin basaltique de type intraplaque Modèle compatible avec la délamination Miocène Moyen: séries tholéïtiques à calco-alcalines par relâchement de fluides provenant du slab (coin mantellique) 16

17 Corollaire: le détachement (par déchirure) du slab téthysien: le «moteur profond?» Carminati et al. (1998) Détachements latéraux de slab contre la marge africaine Faccenna et al. (2004) Reliques de slab détaché? 2E. Conclusions - Le slab roll back vers le SE est le phénomène dominant entre 23 et 16 Ma - La collision entre blocs Kabyle et l Afrique intervient vers Ma, de manière oblique - Les modèles convergent qualitativement pour indiquer un roll back précoce vers le SE suivi d un roll back Alboran vers l Ouest (les «courants asthénosphériques» de Mattauer 2007) - Les modèles divergent quant à l ampleur du mouvement vers l ouest d Alboran : ~600 ou ~200 km? Et donc sur l âge, l origine et la structure du plancher océanique et des marges - Les détachements latéraux de slab sont probables mais restent mal connus en position et chronologie - Modèle combinant Schettino- Duggen-Michard-Gueguen: à confirmer? - Modèle avec 2 générations distinctes de marges (passives puis en STEP) de part et d autre du bassin profond algéro-provençal? Camerlenghi et al.,

18 3. Analyses terre-mer régionales Structure magnétique du Bassin Algérien Carte des anomalies magnétiques réduites au pôle IUEM25/09/ Structure profonde de la Marge SC3 SC2 SC1 Répartition des domaines AlKaPeCa IUEM25/09/

19 Modèle palinspatique de l ouverture du Bassin Algérien Première phase d ouverture NO - SE = Première segmentation 23 à 16 Ma Evolution géodynamique de la Marge Dépôts de l OMK et du Flysch Numidien Failles de transfert ou d accommodation et Roll-back vers le S à SE IUEM25/09/ Evolution géodynamique de la Marge Modèle palinspatique de l ouverture du Bassin Algérien Deuxième phase d ouverture E - O = Deuxième segmentation 16 à 8 Ma Accrétion du Flysch Numidien et Collage des Kabylies Déchirure du salb au niveau de la ride d Hannibal (RH) Développement de STEP-Fault et Roll back vers l Est et l Ouest Océanisation de la partie orientale du Bassin Algérien, Ouverture de la partie centrale et occidentale IUEM25/09/

20 Evolution géodynamique de la Marge Modèle palinspatique de l ouverture du Bassin Algérien Rapprochement Afrique Europe / Phase de compression 8 à 5,3 Ma Fonctionnement des STEP-Fault et Roll back vers l Est et l Ouest Océanisation de la partie Centrale du Bassin Algérien Formation de l Arc Bético Rifain et isolement du Bassin Algérien de l Atlantique (Crise Messinienne) IUEM25/09/ Evolution géodynamique de la Marge Modèle palinspatique de la fermeture du Bassin Algérien Rapprochement Afrique Europe / Inversion de la marge 5,3 Ma à Actuel Inversion de la marge centrale et orientale Développement de bassin (Bassin de Yusuf) en transtension à l Ouest IUEM25/09/

21 Recul de la subduction: Apports de la tomographie et des datations Conséquences Vitesse rifting, drifting: 1 à 6 cm/an! Amincissement en «boudins»: causes? Largeur des marges: contrôle? (Taux-Rhéologie) «Pause» de 5 Ma (Ligure - Tyrrhénienne): Pourquoi? Faccenna et al., 2001 Migration par sauts Détachement progressif: 30 Ma: Alpes Ma: Afrique W-E 4. Réflexions sur le rollback Reconstitution du rollback Carminati et al.,

22 Synthèse: Limites de plaques Age du début de l extension directions d extension et de transport Q quels observations pour contraindre cette carte? Jolivet et Faccenna, 2001 Age de la première extension (Jolivet & Faccenna, 2000) 22

23 Compression et raccourcissement en surface SUBDUCTION Dans certaines conditions, extension en arrière SUD NORD Plongement de la lithosphère africaine dans l asthénosphère Rollback et boudinage: rôle de la rhéologie? Des variations des taux de déformation? Doglioni, 1995 Gueguen et al., 1997 Quelques types d extension en contexte de subduction Sauts d extension en Méditerranée Occidentale 23

24 Rollback et accélération: rôle de la dynamique de la subduction? Faccenna et al., 2001 Les deux types de subduction dans la Nature, observés par tomographie sismique MODE 1 La fosse recule en direction de l océan MODE 2 La fosse avance vers le continent Méditerranée occidentale : Subduction de mode 1 (Faccenna et al., 2003; Bellahsen et al., 2005) L Himalaya : Subduction de mode 2 (van der Voo et al., 1999) 24

25 Hypothèses complémentaires Coupes interprétatives en mer Tyrrhénienne Bloc-diagramme à regard N -> S NO SE SO NE SO NE Temps actuel S N Gvirtzman et Nur, 2001 Détachements? Délamination? Succion variable à la fosse en fonction du rollback? Jolivet et Faccenna, 2001 Ralentissement à 30 Ma du mouvement absolu de l Afrique: Accélération du rollback dans les zones en subduction océanique? Roll-back: Quelques conséquences mécaniques Géométrie des marges Jolivet et al., 1998 Traction basale sens de cisaillement Jolivet et al., 1998 Migration des dépôts-centres avant-arc et lien avec le déchirement du slab 25

26 Bilan Forces en présence: 2 dominent et entrent en compétition: Origine cinématique: Convergence Afrique-Eurasie lente Reconstructions paléotectoniques de la Méditerranée Reconstructions géodynamiques du domaine méditerranéen occidental Origine gravitaire:rollback du panneau plongeant Mise en évidence par arguments tectoniques, minéralogiques, métamorphiques, structuraux, paléomagnétiques, etc Hypothèses: Ralentissement de convergence changement de forme du slab par contact sur la discontinuité à 660 km Conséquences sur la mécanique de l extension: boudinage, à-coups du recul, variations de la succion et du couplage interplaque Autres phénomènes dynamiques associés: détachement, délamination lithosphérique, effondrement gravitaire des chaînes, collision de blocs provenant des arcs ou de l avant-arc, volcanisme bimodal et diachrone Structures lithosphériques: forts contrastes observés résultant de cette évolution 26

27 Remarques conclusives Cycle de Wilson et cycle alpin Phases d accrétion dominante Phases de subduction dominante Phases de collision: fin de cycle Coleman,

28 Obduction synthétique de la subduction Le plus fréquent Note: la subduction est intra-océanique Parfois: non classé dans obduction s.s. Obduction antithétique de la subduction Sud-Chili, Alaska, Nouvelle-Zélande Ribeiro,

29 I. Introduction (3) Problème plus général: Comportement du «slab» et du manteau environnant I.P (pression interplaque).: Force de succion/poussée reliée au mouvement absolu de la plaque supérieure «Anchoring»: résistance visqueuse de l asthénosphère au déplacement latéral du slab Lallemand et al.,

30 Dénudation tectonique: Evolution temporelle du style de déformation Quelques conclusions pour la collision Convergence et collision : quelques progrès récents apportés par l étude de la Collision Inde-Asie - Extrusion: - Structures de raccourcissement et d épaississement ne sont pas seules à accommoder la convergence: déplacements (coulissages) de blocs rigides le long de grands décrochements aussi! - Ecaillage: - Subduction continentale est un processus important et sans doute commun durant la convergence - Modification des propriétés rhéologiques induite par les couplages de la subduction - Edification du Plateau Tibétain: -Probablement polyphasée, avec croissance progressive vers le N-O, flambage, rétro-action par l érosion, rôle des perturbations thermiques liées à l épaississement crustal MAIS - Extension contemporaine de la convergence actuelle: encore mal comprise - Part respective de ces processus dans l évolution d une chaîne de collision? 30