Les marges continentales passives

Les marges continentales passivesSynthèse

Pourquoi les étudier?

ETOPO 1

Isabelle Thinon

I. Thinon – BRGM

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

2Séminaire OSUC 05/11/2013

I. Thinon – BRGM

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.

ETOPO 1

Les marges continentales recouvrent 11%

de la surface de la Terre.

12 plaques lithosphériques*

3 frontières de plaque

Marges continentales passives divergentes

Marges continentales transformantes

Marges continentales actives

* Plaque lithosphérique: Ensemble rigide formé de la croûte et de la partie superficielle du manteau supérieur comprise entre la surface et 70-150 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.

Frontière divergenteExtension au niveau de la dorsale

Frontière transcurrenteGlissement entre plaque le long d’un décrochement ou d’une faille transformante

Frontière convergentezone de subduction


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Où sont-elles ?

- Océan atlantique- Océan Arctique- Océan Indien occidental- Australie- Antarctique- Méditerranée occidentale : Corse, Sardaigne, Provence (golfe du Lion)

Golfe du Lion. Source (Ifremer, SHOM)MNT (BRGM)

Marge continentale passive


I. Thinon – BRGM


Marge continentale passive divergente


I. Thinon – BRGM


Marge continentale passive divergenteDéfinitions 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)

- 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


I. Thinon – BRGM

Morphologie

- Plateau continentalBathymétrie (0 – 200 m)Pente très faible (~0.1°)Largeur (5 à 1500 km)Epaisseur crustale (~30-35 km)

- Pente continentale (talus)Bathymétrie (200 – 4000 m)Pente importante (1-5°) et largeur variable (10 – 100 km)Entaillée de canyons sous-marins Lieu de l’amincissement crustal (30 à qq km)

- Glacis continentalBathymétrie (2500–5000 m)Accumulation de sédiments au pied de la pente

- Plaine abyssaleBathymétrie (2500- 5000m)Lieu de la Transition Océan/Contient (TOC)Socle: croûte océanique; TOC (croûte transitionnelle); possible C.C.amincie


Marge continentale passive divergente Définitions et généralités

Carte bathymétrique


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Marge continentale passive divergenteDéfinitions et généralités

Reconstruction cinématique (Gueguen, 1990)Fermeture du bassin liguro-provençalD’après Gueguen(1990)

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)

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

SO africaine d’après Séranne et Anka (2005)Marge armoricaine d’après Montadert et al. (1979)


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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)


I. Thinon – BRGM

Marge continentale passive divergente non-volcanique



I. Thinon – BRGM

Marge continentale passive divergente:

- C.C. amincie, caractérisée par une

succession de blocs basculés bordés par des

failles normales à pendage vers l’océan.

- C.O. issue d'une accrétion lente à l'axe d'une dorsale.

- Transition Océan-Continent (TOC) abrupte

Marge continentale passive divergente non-volcaniqueStructure - connaissance avant le 21ème siècle

CM16 (Montadert et De Charpal, 1979)Thinon, 1999

Partie proximalePartie distale

Rebord de plateau

Thinon, 1999

Coupe perpendiculaire à la marge des Entrées de la Manche (Golfe de Gascogne)11Séminaire OSUC 05/11/2013

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D’après Manatschal, 2010

Terre-Neuve Ibérie

Études géophysiques

20 km

Sismique réflexion

Marge continentale passive divergente non-volcaniqueStructure - connaissance début 21ème siècle

Exemple: marges conjuguées Ibérie/Terre-Neuve (Atl. N)


I. Thinon – BRGM


Terre-Neuve Ibérie


20 km

Sismique réflexionMagnétisme

Zones avec anomalies magnétiques

Zone magnétiquement calme

Marge continentale passive divergente non-volcaniqueStructure - connaissance en ce début de 21ème siècle

Exemple: marges conjuguées Ibérie/Terre-Neuve (Atl. N)

C.O. C.C.

TOC


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Terre-Neuve Ibérie



Sismique réfraction


20 km


D’après Manatschal, 2010Vitesse anormale: 7.3 – 7.6 km/s


I. Thinon – BRGM

Terre-Neuve Ibérie


20 km

Sismique réflexion



Forages ODP



Contrainte terrain


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Peron-Pinvidic_2006

Terre-Neuve Ibérie





Forages ODP



TOC

Contrainte terrain


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Qu’est ce que la Transition Océan-Continent (TOC)?


Peron-pinvidic- 2006

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 intrudéepar 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).

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- 2006


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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- 2006

Exemple d’image sismique (Marge ouest-ibérique)

Marge continentale passive divergente non-volcaniqueArchitecture sédimentaire zone proximale

!

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)


I. Thinon – BRGM

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)

Marge continentale passive divergente non-volcaniqueArchitecture sédimentaire zone distale et TOC

Peron-pinvidic- 2006


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Synthèse: Leurs caractéristiques

Marge Iberie-Terre Neuve d’après VanAvendonk et al. (2009); Péron-Pinvidic and Manatschal (2009); Manatschal and Müntener (2009)

Marge continentale passive divergente non-volcaniqueStructure - connaissance géologique en ce début de 21ème siècle

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 TOCTOC de dimension non négligeable : à caractère ni océanique ni continental. Croûte transitionnelle avec des vitesses sismiques de propagation anormales (6.5 - 7.7 km/s). Présence de manteau serpentinisé.Système sédimentaire complexe (pre-, syn- et post-rift; dépôt de type SAG)Marges distales conjuguées asymétriques et complexesEvolution tectonique et magmatique polyphasées ; Evolution isostasique et thermique complexes

Nouvelles observations impliquent des changements importants dans les modèles de formation.

Manteau sub-continental(hérité)

Manteau enrichi

Manteau océanique


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Marge continentale passive non-volcanique française

ex: Golfe du Lion / Marge de Sardaigne

Marge continentale passive divergente non-volcaniqueQuelques exemples

Coupe de vitesse de propagation [Gailler et al. (2009)]

Coupe schématique des marges conjuguées (Résultats de la campagne Sardinia)


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Marge continentale passive non-volcanique française

ex: Marge armoricaine (Golfe de Gascogne)


Thinon, 1999; Thinon et al., 2003Profil de sismique réflexion interprété


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Marge fossile (Alpes)

Observation des structures du rifting et leurs relations avec les sédiments

Faille de forts pendagesQuand et où?

Failles de détachement au toit du socleQuand et comment se forment-elles?

Exhumation du manteauRelations avec les processus magmatiques?



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Marge continentale passive divergente volcanique



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Marge continentale passive divergente volcaniqueOù les trouver?

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).

Germigon (2005)


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Marge continentale passive divergente volcaniqueLeur structure

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)

• Traps pre-breakup

• Présence de nombreux sill/dyke intrudant le bassinsédimentaire pre-breakup

Geoffroy, 2005Coupe schématique type d’une marge volcanique

White, 1992

Linedrawing (interprétation de profil sismique)


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Marge continentale passive divergente volcaniqueLeur structure

Geoffroy, 2005Coupe schématique type d’une marge volcanique

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 syn-magmatiques 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 (7.1-7.8 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’étendresous la croûte continentale.

Absence de forte subsidence durant et après la BreakupModèle de vitesse le long d’un profil perpendiculaire à la marge


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Marge continentale passive divergente volcaniqueLeur structure. Ex: marge de Norvège et du Groenland

Groenland

Profil de sismique réflexion, Hopper et al. (2003)

20 km

50 km

modèle de vitesse sismique de propagation Hopper et al. (2003)

SDRPrésence d’un corps sous-plaqué de vitesse anormale (7.1-7.4 km/s)Zone d’amincissement crustal étroite


I. Thinon – BRGM


Vôring - NorvègePlateau de Rockall

Plateau de VöringSDRPrésence d’un corps sous-plaqué de vitesse anormale (7.1-7.4 km/s)Faille normale à regard vers le continent.Sill magmatique dans le bassin sédimentaire pré-breakupZone d’amincissement crustal est large


I. Thinon – BRGM


Groenland

Modèle de vitesse sismique des marges conjuguées (groenland/rockall).

Vôring - NorvègePlateau de Rockall

SDRPrésence d’un corps sous-plaqué de vitesse anormale (7.1-7.4 km/s)Failles normales à regard vers le continent Marge continentale passive volcanique est asymétrique et complexe


I. Thinon – BRGM

Marge continentale passiveLeur formation


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Stade initial

Stade « rift »: rift actif ou passif

Cause de l’amincissement lithosphérique initial = le rifting formation de rifts (fossés d’effondrement)

Naissance des marges conjuguées = le drifting accrétion océanique

Stade Marge passive

D’après M. Seranne – cours MasterI Montpellier

Mature

Jeune

Marge continentale passiveLeur formation


I. Thinon – BRGM

Mode d’amincissementDeux phénomènes peuvent être à l’origine de l’amincissement initial : Rifting actif ou passif

Rifting actif : phénomène thermo-mécanique 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 lithosphériqueBombement 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)

(Sengor and Burke, 1978)

Marge continentale passiveLeur formation : stade rift


I. Thinon – BRGM

Modifié d’après Ziegler, 1994 et Barriers

Amincissement symétrique et homogène dans toute la lithosphèremarges continentales passives conjuguées

identiquesPhase 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

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

Lieu d’amincissement max

Mode d’amincissement La réponse mécanique de la lithosphère aux contraintes d’extension est variable.

Principalement 2 mécanismes proposés pour expliquer l’accommodation de l’extension par la lithosphère : cisaillement pur et cisaillement simple.

Marge continentale passive divergente non-volcaniqueLeur formation : du rift aux marges – anciens modèles

I. Thinon – BRGM

Marge continentale passive divergente non-volcaniqueLeur formation : du rift aux marges – nouveaux modèles

étire

men

tAm

inciss

emen

tAc

crétio

n oc

éaniq

ue

Modélisations numériques et analogiques

VanAvendonk et al. (2009); Péron-Pinvidic and Manatschal (2009); Manatschal and Müntener (2009)

Kusznir & Manatschal, 2010?


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Marge continentale passive divergente volcaniqueLeur formation : du rift aux marges – modèles

Les concepts de rifting actif sont appliqués à la formation des marges continentales passives volcaniques

Geoffroy, 2005

Mod

e ac

tif

Rupture et accrétion océanique

Stade de riftVolcanisme +

Trap


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Marge continentale transformanteMarge continentale oblique à hyper-oblique


I. Thinon – BRGM

Marge continentale transformante/obliqueGénéralités

(Loncke, 2011 d’après Patriat)

• 25 à 30% des marges passives sont des marges passives transformantes/obliques

• Ont été très peu étudié par rapport aux marges divergentes

Mercier de Lépinay al., 2013


I. Thinon – BRGM

Marge continentale transformante/obliqueGénéralités


• 25 à 30% des marges passives sont des marges passives transformantes/obliques

• Ont été très peu étudié par rapport aux marges divergentes

• Regain d’intérêt ces années cibles importantes pour la prospection pétrolière

Mercier de Lépinay al., 2013


I. Thinon – BRGM

Marge continentale transformanteDéfinitions

- 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)


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Marge continentale transformanteFormation

Scrutton (1979); Mascle et Blarez (1987)


C.C.C.C. amincie

C.O.

Marge divergente

Syn-rift

Post-rift

Marge transformante

M. transformante intra-continentale

M. transformante active

M. transformante passive


Activité tectonique décalée

polyphasée et diachrone

Marge transformante




M. transformante active

M. transformante passive

Discordance post-rift

Discordance post-transform

Discordance post-transform


I. Thinon – BRGM

Pente continentale: 200 – 4000 m

• Pente linéaire, étroite et raide

(Marge de Ghana > 10°, peut atteindre 20 ou 30°)

• Pente érosive

Marge continentale transformanteCaractéristiques

Carte des pentes : Ex. Côte d’Ivoire –Ghana (Mercier De Lépinay)

• Nombreuses instabilités gravitaires

• Nombreuses sorties de fluides


I. Thinon – BRGM


- Ride marginale ou structure analogue => bordure qui piège les sédiments

- Basculement tardif de la marge vers le large

Mascle et Basile, 1998Basile, 1990

Exemple Côte d’Ivoire -Ghana

Moulin et al., 2010; 2012.


I. Thinon – BRGM

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)



I. Thinon – BRGM

Marge continentale oblique

Zone de relais oblique

Segmentation de la marge


Marges obliques Segments transformants au sein d’un système oblique

Zone de relais oblique

Bot, Geoffroy et al., 2013

Obliquité avec la direction du rift Obliquité avec les structures de la marge

ε // u ε // u

Structures en échelon Sans partitionnement Avec partitionnement

ε1

u≠

Notion de rift oblique

I. Thinon – BRGM


Ex: Golfe d’Aden


Pik et al.; Bellahsen et al., Autin et al. 2013 – tectonophysics N°607

I. Thinon – BRGM


Bot, Geoffroy et al., 2013

Marge jeune

Drake, 2005

Michaud et al, 2004

Ex: Golfe de Californie

-Accrétion océanique(à partir de ~3.6 Ma (Sud))

propagation vers le nord en bassins en pull-apartdélimités par des failles transformantes de grande dimension

- Sur la margeFailles normales à fort pendage (N90E à N130E);Fonctionnement des failles de Tosco-Abreojos


I. Thinon – BRGM

Sédimentation des marges continentales

Une marge continentale est le lieu où les sédiments transitent du continent à la plaine abyssale

Références bibliographiques:Cours de BarrierGuillocheau et al. (2003)Vail et al., 1977 Guillocheau, 1994Nalpas, 2002Homewood et al., 2000Eléments de sédimentologie et de Pétrologie sédimentaire » univ. de liège http://www2.ulg.ac.be/geolsed/sedim/sedimentologie.htmPeron-pinvidic- 2006

(d’après Kendall, 2001)

I. Thinon – BRGM

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

http://www.geosciences.univ-ennes1.fr/spip.php?article441

I. Thinon – BRGM

Sédimentation des marges continentalesNature des dépôts2 types de sédimentation: détritique / carbonatée

Erosion

Transfert

Dépôts

Sédimentation détritiqueIssu principalement de l’érosion des continents (terrigène) et de squelettes d’organismes vivants (biodétritique).

Taux de sédimentation ~ 30 cm/Ka

sauf delta du Mississipi ~ 4 m/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.

Sédimentation carbonatéeIssu de la production biologique de l'océan (plancton).

Taux de production très élevé: 1m/Ka

Diversité des plates-formes

• variation des facteurs de l'environnement : la morphologie, l'hydrodynamisme, le chimisme (salinité, oxygénation), la pénétration de la lumière.

I. Thinon – BRGM

Sédimentation carbonatée sur le plateau continental

Sédimentation des marges continentalesArchitecture des dépôts carbonatées

« Eléments de sédimentologie et de Pétrologie sédimentaire » univ. de liège. http://www2.ulg.ac.be/geolsed/sedim/sedimentologie.htm

On distingue:1. Plateau continental calcaire et plateforme insulaire calcaire : Vastes

zones d’accumulation de débris/squelettes calcaires d'organismes (plancton).

Sédimentation au niveau de la plaine abyssale

Bahamas (Y. Arthus-Bertrand)

"Grand Trou Bleu" dans l'atoll de Belize2. Les récifs coralliens se retrouvent sur les

plateaux continentaux calcaires ou les plates-

formes insulaires en zone tropicale.

- Barrière récifale sur le rebord du plateau

- Récifs insulaires ou des atolls

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


I. Thinon – BRGM

Sédimentation des marges continentalesArchitecture des dépôts détritiques

La distribution et l’architecture des sédiments meubles sont fonctions

des courants, vagues et marées

du volume d’apport des sédiments.

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

Zonation bathymétrique du plateau


Rides de vagues

Rides de courant

Dunes (mégarides)

Antidunes

Plans parallèles

15 m 500 m

Plateau continental interne (Faible bathymétrie - bordure littorale)

Hydrodynamisme du milieu -> Formes sédimentaires


I. Thinon – BRGM


stratifications obliques, crées par des courants de direction constante


Stratifications obliques dans un grès du Paléozoïque inférieur, Kalbarri, Australie

Formes sédimentaires -> Hydrodynamisme du milieu



I. Thinon – BRGM




Proust et al. 2013 – geosciences N°17La sédimentation littorale à l’approche des embouchures

Dynamique des côtes sableuses ….

Idier et Thiébot, 2013 (Géosciences N°17)

I. Thinon – BRGM

Sédimentation des marges continentales Erosion/incision

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

Proust et al., 2010

Erosion et incision sur le plateau continental

Thinon et al. 2008


I. Thinon – BRGM

Sédimentation détritique : pente continentale/glacis/plaine abyssaleDépôts turbiditiques

« Eléments de sédimentologie et de Pétrologie sédimentaire » univ. de liège.


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 (> 200.000 km2); et un grand pouvoir de transport (> 200 km3 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;


I. Thinon – BRGM

Sédimentation détritique : pente continentale/glacis/plaine abyssaleDépôts turbiditiques

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.


Classes de turbidites = f(granulométrie et éloignement par rapport à la source des sédiments)


I. Thinon – BRGM

Sédimentation des marges continentalesArchitecture 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)


I. Thinon – BRGM

F(x,t)F(t)

F(x,t)

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

Guillocheau et al. (2003)Cours de Barrier

Sédimentation des marges continentalesArchitecture des dépôts sur le plateau continental

Plus le flux est élevé, plus l’accommodation diminue

Plus le niveau eustatique est élevé, plus l’accommodation augmente

Plus la vitesse d’enfoncement est élevée, plus l’accommodation augmente


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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 > SAccumulation de dépôts de plus en plus près du continent;Ligne de rivage recule

A = SL’espace disponible est aussitôt rempli par les sédiments.Ligne de rivage ne varie pasA < SAccumulation de dépôts en progression vers le largeLigne de rivage avance vers le bassin

A = 0Le bassin se comble petit à petit.Ligne de rivage avance vers le bassin

S > l’espace disponibleLigne de rivage avance vers le bassinErosion

60Séminaire OSUC 05/11/2013Homewood et al. (1999)

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Séquences sismiques (Vail et al., 1977)

Le cycle de variation du niveau marin relatif peut être reconstitué par l’analyse des géométries des séquences sismiques.

Schématisation de concepts de la stratigraphie séquentielle http://www2.ulg.ac.be/geolsed/sedim/compl_sedim.htm#STRATIGRAPHIESEQUENTIELLE

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.

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Exemple de séquences sismiques (Brésil) Pino-Moréna, 1998

Sédimentation des marges continentalesArchitecture des dépôts sur le plateau continental

Stratigraphie séquentielle Reconstitution de l’évolution des paysages passés (4D)

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Pourquoi étudier les marges continentales ?

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Pourquoi étudier les marges ? Répondre aux besoins sociétauxQuelques 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, ..)

Granulats marins

EolienGéothermie

Tunnel sous la Manche

Pont

Tsunamis

Port

Zone protégée

Plateforme pétrolière


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Pourquoi étudier les marges ? Répondre aux besoins sociétaux Les ressources énergétiques fossiles

Comprendre la formation des gisements de pétrole et de gaz, leur piègeComment repère t-on un gisement pétrolier potentiel ?

http://www.planete-energies.com/fr/les-sources-d-energie/le-petrole-et-le-gaz-3.html


Plateforme pétrolière

• Recherche de nouveaux sites, pièges,…

• Amélioration des outils d’exploration, d’extraction, de transport, …

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Pourquoi étudier les marges ?

Répondre aux besoins sociétaux Les ressources minérales

matière première pour industrie de la constructionLes granulats marins (Augris et Simplet, 2013 Geosciences N°17)


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

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 2013 10,5 millions m3

Exploration

Exploitation (régie par le code minier)Impact temporaire ou permanent sur le milieu marin

Drague aspirante

Titres miniers en cours et demandés

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Pourquoi étudier les marges ? Répondre aux besoins sociétaux Les ressources minérales

Position et fertilité des districts aurifères en fonction de l’angle de la plaque en subduction (plan de Benioff). Billa et al. (2004).

Guillou-Frottier et al. -2012– Géodynamique et ressources minérales. Géosciences n°15 – Ressources minérales PDF téléchargeable sur le site BRGM

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.

Genèse et environnement de dépôt des formations de fer rubanées (BIF)

Sédimentation (géodynamique non impliquée)Roches sédimentaires d’origine chimiqueEx: 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 ).


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Répondre aux besoins sociétaux Les énergies marines renouvelables

Les énergies marines renouvelables - EMR (De Roeck, 2013 Geosciences N°17)


Exploration Exploitation, Installation et désinstallationEx: parcs offshore d’éolienne

Diversité

• Les maréeso Installation dans estuaire (ex: usine

marémotrice de la Rance)o PB: Forte anthropisation du milieu marin

• Energie hydrocinétiqueo Hydroliennes (hélices et turbines) dans les

zones de forts courants de maréeo 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 solo 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

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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

Extension du plateau continental juridique françaisLe domaine maritime sous juridiction française (11 M km2) constituent la Zone Economique Exclusive (ZEE) et le plateau continental de la France

Projet EXTRAPLAC : http://www.extraplac.fr/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 km2


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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 Atlashttp://see-atlas.leeds.ac.uk:8080/homePages/generic.jsp?resourceId=090000648000f239

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Méthodes d’investigationsAcquisition de données

TETHYSII (INSU) 25mNavires hauturiers, côtiers

Positionnement plus précis : DGPS, GPS

Forte évolution des technologies d’acquisition et dans leur traitement

Marion Dusfresne II (IPEV) - 120m

Pourquoi-Pas? (Ifremer/SHOM) 107m

Haliotis (Ifremer)- 10m


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Sondes (SHOM)

Bathymétrie MNT 50MSources: sondes hydrographiques (SHOM)

Bathymétrie MNT 5MSources: SMF petit fond

Levé multifaisceaux SMF (grand/petit-fond) + imagerie acoustiqueSondes hydrographiques ou Levé monofaisceau

Mosaïque Imagerie acoustiqueSources: SMF petit fond

Méthodes d’investigationsDonnées de base : bathymétrie (Topographie et morphologie du fond marin)

Guennoc et al. 2008 Guennoc et al. 2008

Guennoc et al. 2008


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Quelques exemples


I. Thinon – BRGM


Quelques exemples

http://www.dorsetwildlifetrust.org.uk/doris_map


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Bathymétrie MNT 50MSources: sondes hydrographiques (SHOM)

Bathymétrie MNT 5MSources: SMF petit fond


Laser aéroporté (LIDAR) : Altimétrie continue terre-mer Fournir un modèle altimétrique précis, continu terre-mer pour toutes les applications littorales

Litto 3D (SHOM): Golfe du Morbihan

www.shom.fr/litto3d.htmwww.ign.fr

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 que20 cm (95%)• résolution métrique• filtré du sursol

En mer/ Levé LIDAR bathymétrique • précision verticale meilleure que50 cm (95%)• résolution 5 m


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Méthodes d’investigationsApproche 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.

(Pluquet, 2005)

Epaves et blocs rocheux (Pluquet, 2005) Structure sédimentaire + herbier (Pluquet, 2005)

Structuration des micaschistes (Thinon, 2010)


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Méthodes d’investigationsApproche géophysique: propriété physique du sous-sol

Gravimétrie

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)

Magnétisme

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., 2013Thinon et al., 2010


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Méthodes d’investigationsApproche géophysique: Géométrie des formations du sous-sol

Sismique réflexion

Source Flûte sismique multitrace

Géométrie du sous-sol (2D à 3D)

Flûte sismique monotracesflûte sismique multitrace (6 – 96 -…traces)

Exemple de profil sismique réflexion haute résolution (BRGM)

3D

2D


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Sismique réflexionPuissance 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)(50 – 1000 J ; 30 – 200 brins

BoomerSeistec


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ECORS

2250 m

Exemple de différentes résolutions sismique Ex: Marge du Golfe du Lion

Imag

erie

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tion

des

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ts g

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giqu

es

750 m

Sismique pétrolière75 m

Sismique Haute résolutionBRGM-Univ. Montpellier (2008)

7.5 m

Sismique Très Haute résolutionUniv. Caen – Tessier B.

Baie du Mont St-Michel


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Profil de sismique réflexion Boomer traité (BRGM, I. Thinon)Adaptation filtre de Houle sousSU (Mary & Chaumillon, 2004)

~ 7 m

Traitement


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Duvail (2008)

Interprétation


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Méthodes d’investigationsApproche géophysique: sismique réfraction

Loi de vitesse de propagation sismique

Modèle de vitesse sismique le long d’un profil


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Méthodes d’investigationsApproche géologique: contrôle terrain

Prélèvements bennesPhotos-vidéos

Carottier à sédiments (INSU)~ 3-5 m

Carottier à roche

Photo I. Thinon BRGM


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Méthodes d’investigationsApproche géologique: contrôle terrain

Sous-marins ou engins ROV Forages (IODP, DSDP, ODP, pétroliers)

Carottier géant à sédiment < 60 m de long ; z < 5000mLe Calypso (Marion Dufresne II, IPEV)

Photo I. Thinon BRGM

Photo Ifremer

Photo WEB


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