Étude géologique et géophysique des marges continentales passives

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  • THESE DE DOCTORAT DE LUNIVERSITE DE BRETAGNEOCCIDENTALE

    SPECIALITE : GEOSCIENCES MARINES

    Maryline Moulin

    tude gologique et gophysique des margescontinentales passives : exemple du Zare et de lAngola

    Volume 1 : texte

    Soutenue le 28 novembre 2003.

    Devant la commission dexamen compose par :

    M. D. ASLANIAN Chercheur, IFREMER, Brest Tuteur

    M. R. GUIRAUD Professeur, Univ. de Avignon, Avignon Examinateur

    M. P. HUCHON Professeur, Univ. P. et M. Curie, Villefranche Rapporteur

    M. Y. LAGABRIELLE HDR, Univ. Bretagne Occidentale, Brest Examinateur

    M. L. MATIAS Chercheur, Univ. de Lisboa, Lisbonne Examinateur

    M. J.-L. OLIVET Chercheur, IFREMER, Brest Co-Directeur de thse

    M. J.-P. REHAULT Professeur, Univ. Bretagne Occidentale, Brest Directeur de thse

    M. J.-L. RUBINO Total, Pau Rapporteur

    M. P. UNTERNEHR Total, Paris Rapporteur

  • Rsum :Ce travail de thse aborde la formation des marges continentales passives dans le segment central de locan

    Atlantique Sud (plus particulirement au Congo et en Angola), en intgrant une tude en coupe (tude structurale partir des

    coupes sismiques) et une tude en plan (tude cinmatique).

    Ltude structurale de la marge a t ralise partir des donnes de sismique rflexion et rfraction de la

    campagne Zaango et dune compilation de donnes sismiques rflexion existantes sur toutes les marges africaine etbrsilienne entre les zones de fracture quatoriales et la ride de Walvis. Linterprtation de ces donnes a permis

    dindividualiser la structure de la marge en trois domaines : continental, transitionnel et ocanique et de dterminer quelques

    points majeurs sur la structuration de la marge.

    Lamincissement est abrupt, localis dans la zone de pente continentale et restreint 50 km. La marge montre peu

    de structures distensives : seuls un ou deux blocs basculs sont observs en haut de pente continentale. Le domainetransitionnel est caractris par la gomtrie particulire de la sdimentation ant-salifre, labsence de blocs basculs et la

    faible paisseur de crote. La couche sdimentaire ant-salifre montre des rflecteurs plans jusqu la base du sel, continus

    sur 100 km, liminant toutes possibilits de dformation du socle pendant et aprs son dpt. La crote du domaine

    transitionnel peut-tre divise en deux types : une crote de type I sur laquelle se dposent les sdiments non dforms, et une

    crote de type II sur laquelle se superposent les limites du front compressif salifre bien exprim dans les sries post-

    salifres. Enfin le sel, que lon observe depuis la plate-forme jusquau bassin profond, ne se dpose pas dans un bassinconfin (comme en Mditerrane) mais un niveau proche de 0 m (ressemblant probablement un dpt de type lagunaire)

    et donne la palo-bathymtrie au moment de son dpt qui marque la fin de la priode de formation de la marge.

    La comprhension de la gense d'une marge ne peut tre approche sans son homologue. Cette simple

    constatation, cette vidence, montre toute l'importance que l'on doit apporter la reconstruction cinmatique initiale del'ocan qui borde ces marges homologues et aux contraintes imposes par les reconstructions cinmatiques sur les

    mouvements horizontaux des plaques lithosphriques. Afin d'tudier la position des marges au moment de cette fermeture,

    c'est--dire avant amincissement, une tude globale intgrant l'ensemble des donnes disponibles, gophysiques et

    gologiques, ocaniques et continentales, a t ralise. Le rle de la dformation intraplaque africaine, ses limites et leurs

    consquences a, en particulier, t l'objet d'une attention pousse. Pour juxtaposer les marges du segment central, ce sont

    toutes les marges de locan Atlantique Equatorial qui doivent tre ajustes prcisment. L'tude cinmatique ralise de largion quatoriale montre que l'on obtient une reconstruction fiable et sans ambigut, avec une prcision que l'on peut

    quantifier. Les ples issus de cette tude (et calculs avec le Logiciel PLACA) indiquent qu'il est impossible d'obtenir une

    fermeture plus serre que celle qui conduit la superposition des fronts salifres brsilien et angolais : les coupes issues de la

    sismique rflexion des deux marges indiquent qu'il subsiste un bassin aminci, large de plus de 330 km et dont la crote

    n'excde jamais 13 kilomtres d'paisseur. La formation de ce bassin ne peut rsulter de mouvements horizontaux, ce quiexclut un amincissement par tirement (pure stretching) ou par l'existence d'une faille de dtachement (simple shear) ou par

    quelque modle conservatif que ce soit. Cette constatation corrobore l'observation de la prsence d'horizons ant-salifre

    parallles, entre eux et au sel, couche salifre que l'on retrouve sur la plate-forme : la cration de ce bassin ant-salifre ne

    peut tre que lie un mouvement vertical.

    Le schma d'volution que nous proposons partir des donnes structurales et des contraintes cinmatiquesprsente quatre tapes : le premier stade correspond une phase de dformation distensive limite aux quelques rares blocs

    basculs observs en haut de pente continentale. C'est durant la deuxime tape que se droule la phase d'amincissement

    principal, les mouvements verticaux prvalent, aboutissant la formation de la pente continentale et la subsidence du

    bassin. La troisime phase correspond une premire striction des contraintes : la dformation se concentre sur une partie

    rduite du bassin, concidant avec le front salifre compressif. Une proto-crote ocanique se forme, probablement compose

    de crote continentale amincie et intrude de matriel mantellique. La seconde striction correspond la phase finale deformation de la marge et aboutit l'ocanisation sensu stricto.

    Ltude cinmatique et la description de lvolution de la marge partir des donnes sismiques montre donc que

    l'on ne peut envisager l'application d'un modle de gense des marges avec conservation de volume (type McKenzie ou

    Wernicke et leurs avatars) : pour expliquer l'amincissement du bassin, il faudrait probablement nous intresser aux modles

    non-conservatifs (impliquant transformation, convection petite chelle, ) qui sont dj invoqus pour la formation desbassins marginaux ou continentaux, sans mouvements horizontaux.

  • Abstract :The objective of the present work is to study the formation of the passive continental margins of the Central Segment

    of the South Atlantic, most particularly the Congo and Angola margins. We propose a combined approach, which integrates

    structural constraints based on geological cross-sections (based on seismic data) and global constraints based on plate kinematic

    reconstructions.

    The structural study is based on : i) MCS and refraction data collected during the ZaiAngo programme (a joint project conducted

    by Ifremer and Total) ; ii) proprietary, industrial seismic data (courtesy of Total) from the Angola margin and iii) on all availableseismic lines from the Africa and Brazil conjugated margins, between Walvis Ridge and the Equatorial Fracture Zones. Based on

    theses data, three structural domains (continental, transitional and oceanic) have been defined, the major characteristics of which

    are :

    Crustal thinning occurs abruptly, mostly below the continental slope, over a lateral distance of less than 50 km. The top of the

    crust deepens as the Moho shallows.Only a few extensional structures are observed ; tilted blocks are very few (one or two, depending on the profile), found only on

    the upper part of the slope and sealed by a discordance prior to salt deposition.

    The transitional domain is characterized by the existence of a pre-salt basin lying over a thin crustal layer. No tilted blocks are

    observed in this domain and reflectors within the pre-salt sediment series are parallel to the base of the Aptian salt, over distances

    greater than 100 km, precluding the possibility of any significant deformation that would imply large horizontal motions.

    Two types of crust are observed in the transitional domain. Type I crust is found below the undeformed pre-salt sediment serieslocated below the eastern part of the basin ; it is characterized by an upper layer of thickness greater than 5 km and a abnormal

    velocity layer (7.2 7.6 km/s), up to 6 km thick. Type II crust is less than 5 km thick and found below the salt compressive

    front that affects the western part of the basin.

    The salt cover is continuous (no erosion surface is observed), from the continental shelf to the western termination of

    the basin. Salt was not deposited in a confined environment (like in the Mediterranean), but in a shallow water, lagunalenvironment. This imposes the zero-level and constrains the paleo-bathymetry at the time of salt deposition, which dates the latest

    stage of margin formation.

    Understanding the formation of a margin cannot be approached without studying the homolog margin. Therefore, it is

    of major importance to reconstruct the closure of the ocean bordered by these homolog margins and take into account the

    constraints imposed by the kinematic reconstructions on the lateral motions of the lithospheric plates. In order to assess the

    relative position of the plates at the ocean closure (prior to crustal thinning), a global study was thus performed, integrating allgeophysical and geological constraints, in the ocean and on land. The role of african intra-plate deformation and its limits and

    their consequences have been thoroughly studied. To juxtapose the margins of the central segment of the Southern Atlantic, it is

    all the margins bordering the Equatorial Atlantic that need to be adjuste precisely. The kinematic study of this last region shows

    that the reconstruction obtai