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

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

What Can We Learn from Marine Geophysics to Study Rifted Margins?

International audienceThis chapter describes the main geophysical methods used when studying offshore rifts and rifted margins. Geophysical data are often the only constraints available for interpretation of offshore rifted continental margins. Seismic reflection, refraction and potential fields are all valuable datasets carrying relevant information. In the absence of rock samples, geophysical methods are the only way to study rifted margins. They provide indirect imaging of the crust and sediments, as well as potential field data. There is a large spectrum of interpretations for rifted margins. Sometimes it is linked to the large diversity of rifted margins, sometimes it is linked to different geological scenarios. It is thus important to understand how each geological or geophysical object is recognized and their possible interpretation. In marine geophysics, the free-air gravity anomaly is computed from raw data

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

Le golfe d'Aden est un bassin océanique jeune divisé en trois parties par une segmentation de premier ordre expliquée par son ouverture oblique. L'étude de données de sismique réfraction et de gravimétrie acquises lors de la campagne Encens (Leroy et al., Février-Mars 2006), sur la marge Nord du golfe d'Aden oriental, a permis d'imager les structures profondes de la marge. La marge Nord du golfe d Aden oriental est divisé en trois segments, d Ouest en Est, séparés par des zones d accomodation : Ashawq-Salalah, Taqah et Mirbat. Les résultats obtenus mettent en évidence l'amincissement de la croûte continentale, la présence d un corps mafique post-rift sous la croûte transitionnelle du segment d Ashawq-Salalah et du manteau supérieur exhumé à la transition océan-continent des segments de Taqah et de Mirbat. La transition océan-continent est étroite à l Ouest (15 km) et s élargit vers l Est (jusqu à 50 km). Les résultats majeurs de la modélisation thermomécanique montrent que : (1) le contraste de densité entre le manteau lithosphérique et le manteau asthénosphérique gouverne la flexure de la croûte continentale et la profondeur du plancher océanique ; et (2) le critère de rupture dans le manteau lithosphérique contrôle la localisation de la déformation, et de cette manière, la géométrie des marges conjuguées et la chronologie du rifting. La synthèse de ces travaux et les observations disponibles sur le golfe d'Aden ont permis de contraindre les paramètres initiaux qui ont permis la formation et le développement du golfe d'Aden observé aujourd'hui et ainsi de proposer un modèle pour la formation et l'évolution du golfe d'Aden oriental.PARIS-BIUSJ-Sci.Terre recherche (751052114) / SudocSudocFranceF

The oceanic crustal structure at the extinct, slow to ultraslow Labrador Sea spreading center

Two seismic refraction lines were acquired along and across the extinct Labrador Sea spreading center during the Seismic Investigations off Greenland, Newfoundland and Labrador 2009 cruise. We derived two P?wave velocity models using both forward modeling (RAYINVR) and traveltime tomography inversion (Tomo2D) with good ray coverage down to the mantle. Slow-spreading Paleocene oceanic crust has a thickness of 5?km, while the Eocene crust created by ultraslow spreading is as thin as 3.5?km. The upper crustal velocity is affected by fracturation due to a dominant tectonic extension during the waning stage of spreading, with a velocity drop of 0.5 to 1?km/s when compared to Paleocene upper crustal velocities (5.2–6.0?km/s). The overall crustal structure is similar to active ultraslow-spreading centers like the Mohns Ridge or the South West Indian Ridge with lower crustal velocities of 6.0–7.0?km/s. An oceanic core complex is imaged on a 50?km long segment of the ridge perpendicular line with serpentinized peridotites (7.3–7.9?km/s) found 1.5?km below the basement. The second, ridge-parallel line also shows extremely thin crust in the extinct axial valley, where 8?km/s mantle velocity is imaged just 1.5?km below the basement. This thin crust is interpreted as crust formed by ultraslow spreading, which was thinned by tectonic extension

Utilisation de données Sparker monotrace à leur plein potentiel : une méthode simple pour investiguer des canyons sous-marins sur la plateforme continentale

International audienceLes données sismiques du Sparker fournissent des informations à Très Haute Résolution (THR) en mer, permettant une interprétation précise de la subsurface des eaux peu profondes à un coût relativement bas. Alors que de plus en plus de pays interdisent l'utilisation de la sismique de type air-gun sur leur territoire pour des raisons environnementales, l'utilisation du Sparker est souvent encore autorisée et son utilisation a considérablement augmenté au cours de la dernière décennie. Cependant, il n'est pas adapté aux eaux profondes. Il est nécessaire d'enregistrer des données avec un espacement de tir court pour obtenir une résolution et une qualité de données latérales optimales, ce qui permet une interprétation de la subsurface avec un niveau élevé de détails dans les séquences sédimentaires. Cet espacement court entre les tirs signifie également un court intervalle de temps entre les tirs, ce qui rend complexe l'imagerie à la fois des sédiments à haute résolution sur le plateau continental et des canyons sous-marins ou des vallées incisées le long d'une seule ligne de tir, car la trace sismique peut se terminer là où il y a encore un signal d'intérêt. Cela implique d'arrêter l'enregistrement pour changer les paramètres d'acquisition vers un intervalle de temps plus large, ce qui entraîne une perte de résolution horizontale et prend du temps. Pour tirer le meilleur parti des données du Sparker dans ces situations, nous avons développé une nouvelle méthode simple (SeeDeeper) qui permet l'interprétation des données THR pour des profondeurs d'eau plus importantes, permettant la création de sections sismiques de la partie la plus élevée du plateau continental jusqu'à la pente ou à travers des canyons profondément incisés. Cette étude vise à proposer un flux de traitement simple pour utiliser des données sismiques Sparker à leur plein potentiel. Dans l'étude de cas présentée, nous montrons plusieurs exemples qui démontrent l'intérêt d'une telle méthode. La méthode SeeDeeper nous a permis de suivre des discontinuités majeures et de connecter un ensemble de données sismique principalement situé sur le plateau continental à un jeu de données plus profond

Utilisation de données Sparker monotrace à leur plein potentiel : une méthode simple pour investiguer des canyons sous-marins sur la plateforme continentale

International audienceLes données sismiques du Sparker fournissent des informations à Très Haute Résolution (THR) en mer, permettant une interprétation précise de la subsurface des eaux peu profondes à un coût relativement bas. Alors que de plus en plus de pays interdisent l'utilisation de la sismique de type air-gun sur leur territoire pour des raisons environnementales, l'utilisation du Sparker est souvent encore autorisée et son utilisation a considérablement augmenté au cours de la dernière décennie. Cependant, il n'est pas adapté aux eaux profondes. Il est nécessaire d'enregistrer des données avec un espacement de tir court pour obtenir une résolution et une qualité de données latérales optimales, ce qui permet une interprétation de la subsurface avec un niveau élevé de détails dans les séquences sédimentaires. Cet espacement court entre les tirs signifie également un court intervalle de temps entre les tirs, ce qui rend complexe l'imagerie à la fois des sédiments à haute résolution sur le plateau continental et des canyons sous-marins ou des vallées incisées le long d'une seule ligne de tir, car la trace sismique peut se terminer là où il y a encore un signal d'intérêt. Cela implique d'arrêter l'enregistrement pour changer les paramètres d'acquisition vers un intervalle de temps plus large, ce qui entraîne une perte de résolution horizontale et prend du temps. Pour tirer le meilleur parti des données du Sparker dans ces situations, nous avons développé une nouvelle méthode simple (SeeDeeper) qui permet l'interprétation des données THR pour des profondeurs d'eau plus importantes, permettant la création de sections sismiques de la partie la plus élevée du plateau continental jusqu'à la pente ou à travers des canyons profondément incisés. Cette étude vise à proposer un flux de traitement simple pour utiliser des données sismiques Sparker à leur plein potentiel. Dans l'étude de cas présentée, nous montrons plusieurs exemples qui démontrent l'intérêt d'une telle méthode. La méthode SeeDeeper nous a permis de suivre des discontinuités majeures et de connecter un ensemble de données sismique principalement situé sur le plateau continental à un jeu de données plus profond

Formation of lithospheric detachments: quantifying the mechanical effect of hydration reactions

International audienceMany authors have published experimentally determined flow laws of rheologically important monophase aggregatesand polyphase rocks. These laws provide good first order constraints on lithology-controlled lithosphericstrength variations. However, since the whole range of mineralogical and chemical rock compositions cannotbe experimentally tested, variations in reaction-controlled rock strength cannot be systematically and fullycharacterized.We here present the results of a study coupling thermodynamical and Thermomechanical modelling aimingat predicting the mechanical impact of metamorphic reactions on the strength of the mantle during its exhumationin rifted zones.Thermodynamic modelling is used for calculating the mineralogical composition of a typical peridotite asa function of pressure, temperature and water content. For a given P-T condition, the calculated modes andflow laws parameters for each phase constituting the paragenesis are then used as input of the MinimizedPower Geometric model for predicting the polyphase aggregate strength. Hence, by considering P-T evolutionscharacteristic of exhumed mantle, we quantify the strength of the mantle as a function of pressure, temperatureand hydration history in a rift zone. The mechanical impact of such metamorphic reactions and hydration is firstquantified in 1D for three simplified hydration schemes and then introduced in preliminary 2D models whichcoupled fluid transfer to the thermodynamically derived rheological parameters. Schemes with limited hydratationare found to keep rocks in condition close to brittle ductile transition for a longer time and to permit more efficientmantle exhumatio