Partie II.1 RAPPORT SCIENTIFIQUE

II.1 RAPPORT SCIENTIFIQUE.....................................................................................

Les processus dans la croûte et le manteau........................................................................................................Accrétion océanique..........................................................................................................................................

Structure profonde des dorsales et du manteau océanique...........................................................................Dynamique superficielle des dorsales...........................................................................................................Les dorsales, reflet de la structure thermique et chimique du manteau........................................................

Asthénosphère et interactions lithosphère/asthénosphère en domaine océanique.............................................Interactions points chauds/dorsales (influence des points chauds sur l'accrétion actuelle)..........................Interactions lithosphère-asthénosphère.........................................................................................................Conclusions...................................................................................................................................................

Recyclage de la lithosphère océanique dans les zones de convergence............................................................Structure thermique des zones de subduction...............................................................................................Magmatisme des zones de subduction « chaudes »......................................................................................Magmatisme post-collisionnel......................................................................................................................La cinématique des microplaques de l'Est Indonésien..................................................................................

Limites stables des domaines océaniques: de l'ouverture aux bassins............................................................Les marges passives...........................................................................................................................................

La riftogénèse et la naissance des marges: Le chantier Maroc.....................................................................Marges volcaniques......................................................................................................................................Approche méthodologique: utilisation de la magnétotellurique en domaines de marge..............................

Les rifts continentaux........................................................................................................................................L’extrémité Nord du Rift kenyan : La Dépression du Turkana....................................................................L’extrémité sud du rift kenyan : le secteur Magadi-Natron et la Divergence Nord Tanzanienne................Rift continental à l’avant d’un propagateur océanique : le Bassin de Woodlark..........................................Rift Karoo du Botswana................................................................................................................................Rifts anciens et extension post-orogénique...................................................................................................

Marges anciennes et paléo-bassins océaniques.................................................................................................Thématique...................................................................................................................................................Bilan des recherches.....................................................................................................................................

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II.1 RAPPORT SCIENTIFIQUE

Les processus dans la croûte et le manteau

Accrétion océaniquePersonnel impliqué: Claire Bassoullet, Hervé Bellon, Mathieu Benoît, Marcel Bohn, Martial

Caroff, Jo Cotten, Laure Dosso, Jérôme Dyment, Jean Francheteau, Pascal Gente, Jean Goslin, Christophe Hémond, Thierry Juteau, Marcia Maia, Alain Piqué, Jean-Claude Phillipet, Jean-Yves Royer, Pascal Tarits, Chantal Tisseau, Jean-Louis Thirot

Doctorants: Angelina Blais (en cours), Sébastien Gac, Erwan Garel, Naphsica Grammatica, Gilles Jacovetti, Esthèle Maina (en cours), Morgane Ravilly, Remy Thibaud, Yvan Vlastelic

Post-doctorants : Anil Chaubey, Veronika Varfalvy

Collaborations : IPGP, LSCE Gif, Univ. Paris 6, Univ. Rennes 1, OMP Toulouse, IRD, DROGM Ifremer, Geol. Survey of Iran, Energie et Mines Oman, Univ. Laval (Québec), Univ. Tokyo, Inst. Ocean. Goa, SIO, WHOI, Lamont.

Structure profonde des dorsales et du manteau océanique

La structure sismique du manteau supérieur sous les centres d'expansionLes modèles tomographiques globaux ou régionaux du manteau supérieur, même les plus

récents, possèdent une résolution horizontale, quelques centaines de kilomètres pour les modèles régionaux à 1000-2000 km pour les modèles globaux, très insuffisante pour pouvoir être confrontés aux résultats des synthèses structurales à l’échelle d’un ou plusieurs segments d’accrétion. Par exemple, aucun de ces modèles ne permet de préciser la structure thermique des 200 premiers kilomètres du manteau sous les domaines axiaux des centres d'expansion actifs ou de préciser la géométrie des têtes de panaches lorsque ceux-ci interagissent avec les dorsales (ainsi, plusieurs panaches de dimensions horizontales réduites existent-ils au nord des Açores ou s'agit-il d'un seul panache dont les manifestations en surface dépendent des hétérogénéités de la lithosphère (Benoit et al., soumis 2002)? Pour tenter de répondre à ce type de questions, des modèles d'anomalies de vitesses sismiques d'ondes P pour le manteau supérieur sous la région axiale des dorsales, possédant une résolution suffisante, sont indispensables.

Nos travaux pour obtenir un premier modèle de ce type, (par inversion des anomalies de temps de trajet des ondes de volume, engendrées par les séismes se produisant à l’axe, et enregistrées par des stations distantes) ont débuté en 2001. Le chantier choisi pour ces premiers travaux est le bombement des Açores au sens large. Une technique nouvelle de pointé des ondes P utilisant la transformée en ondelettes a été développée et validée sur un nombre très restreint de trajets (Kielius, 2000, DEA). Le travail, débuté au cours de l'année 2001, est en cours et se poursuivra au cours de l’hiver 2002-2003 : la méthode utilisée nécessite en effet un pointé fiable de l’onde P sur un très grand nombre de sismogrammes (15000 trajets environ !), ainsi qu’une évaluation précise de l’erreur commise sur ce pointé.

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Imagerie magnétotellurique d'une dorsale ultra-rapide: MELTLes techniques de sondages magnétotelluriques et de sondages magnétiques fond de mer

sont utilisées pour déterminer la structure en conductivité électrique du manteau supérieur océanique. Ces techniques sont basées sur l'étude de la réponse du sous-sol électriquement conducteurs, aux fluctuations naturelles des champs électriques et magnétiques d'origine exosphériques. Ces fluctuations électromagnétiques, de périodes allant de quelques minutes à quelques jours, sont enregistrées à l'aide d'instruments autonomes posés sur le fond marin. .

Nous avons participé à l’élaboration puis le déroulement d’un projet international d'étude de la structure profonde de la ride Pacifique Est entre 16 et 17 degrés Sud, l'expérience MELT (Mantle ELectromagnetic-seismic Tomography). Les stations sismologiques fond de mer (au total 50, appartenants aux grandes institutions océanographiques américaines ; SIO, WHOI, Lamont, Corvalis, Providence) ont été récupérées en juin 1996 alors que les instruments de magnétotelluriques fond de mer (37 stations, américaines, françaises, japonaises et australiennes) étaient installés à la même époque pour un an. Plusieurs informations fondamentales ont pu être obtenues à partir de l'analyse des données MT: tout d'abord une forte dissymétrie du manteau de par et d'autre de la dorsale jusqu'à près de 200 km de profondeur sur le segment enrichi, dissymétrie qui s'atténue fortement vers le nord au niveau du segment appauvri; ensuite, la structure électrique anormalement conductrice suggère la présence de début de fusion à 150 km, voire plus. La comparaison avec les anomalies de géoïde montre une très bonne corrélation entre structure électrique et gravimétrie. Par contre, la comparaison avec les images sismiques montre un ensemble complexe de similarités et de différences qu'il s'agit maintenant d'interpréter dès que les sismologues américains auront obtenu un modèle qui les satisfasse tout à fait.

Structure électrique globale du manteau océaniqueL'approche globale de l'imagerie électromagnétique n’était possible jusqu'à présent qu'à

partir de données des observatoires magnétiques. Leur répartition essentiellement continentale ne permet pas d'étudier le manteau océanique. L'avènement de plusieurs missions magnétiques par satellite offre maintenant une opportunité exceptionnelle de compenser la distribution des observatoires magnétiques par une couverture globale et quasi continue dans temps depuis 1999 grâce aux satellites OERSTED, SAC-C et CHAMP. Nos première études théoriques montrent que des structures océaniques majeures comme les dorsales ont une signature électromagnétique à l'altitude des satellites.

Nous travaillons activement sur les données brutes afin de développer une technique d’extraction du signal d’induction dans les données magnétiques. L’objectif est de disposer d’une couverture dense de données électromagnétique basse fréquences (les seules disponibles par satellite) afin de réaliser une tomographie électromagnétique haute résolution du manteau supérieur océanique. Au stade actuel, nous avons démontré sur les données OERSTED que l'approche théorique choisie était fonctionnelle.

L'approche complémentaire destinée à compenser la distribution des observatoires géophysiques à la surface de la Terre est de mettre en place des observatoires sous-marins.. Notre laboratoire est partie prenante (avec notamment l’IPGP) dans un programme international: ION (International Oceanographic Network) de développement de stations sous-marines ayant une qualité identique aux observatoires terrestres. pour les aspects mesures magnétiques et électriques. Nous sommes responsable pour la partie observatoire magnétique. L'observatoire est en cours de réalisation et sera testé dans le Pacifique Nord en 2003.

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Dynamique superficielle des dorsales

Les dorsales en contexte de manteau superficiel chaud: la Dorsale Est-pacifique (EPR) et les dorsales des bassins arrière-arc de l'Ouest Pacifique

L'axe de la dorsale rapide EPR est un dôme entaillé, sur une partie de la longueur de l'EPR, par un fossé axial de 500m de profondeur maximale. Nous avons montré à l'aide de modélisation analogique et de traitement de données bathymétriques et sismiques et d'observations en submersible que ce fossé n'est pas créé par extension tectonique à l'axe. Il doit être considéré comme une caldera allongée au-dessus de la lentille magmatique sommitale. Il est systématiquement et exclusivement associé aux segments à forte production magmatique et son développement traduit la présence d'une lentille magmatique en position superficielle. Les travaux d'Erwan Garel (thèse Déc. 2001) montrent en revanche que l'extension axiale est seule responsable de la création de véritables grabens tectoniques situés de part et d'autre du dôme axial. Ce résultat permet d'expliquer comment naissent, à proximité de l'axe, les collines abyssales, structures représentant une grande part de la fabrique du fond de l'océan Pacifique.

La campagne ALAUFI (co-chefs Bernard Pelletier IRD et Yves Lagabrielle) préparée conjointement par l'UMR 6538 et par l'IRD a permis d'impliquer un structuraliste (E. Garel) et un géochimiste de Brest (M. Benoît) dans les recherches sur les bassins arrière-arcs. Au cours de cette campagne, le problème de la position de l’île de Futuna au sein du système de frontière entre les plaques Pacifique et Australienne a été résolu. Nous avons montré que l'île est découpée par une branche active d'un décrochement qui se raccorde à la dorsale de Futuna, structure de 200 km de long découverte durant la campagne. Le contexte tectonique de toute la région est enfin précisé, ce qui permet de comprendre les causes des séismes destructeurs compressifs-décrochants qui secouent l'île régulièrement (Pelletier et al., 2001; Garel et al., en cours de révision pour re-soumission à JGR. La dorsale de Futuna présente d'autre part des structures très atypiques; elle est construite localement par un empilement de volcans extrêmement nombreux (thèse Garel, 2001). Ceci semble confirmer l'hypothèse émise déjà en 1997 d'une forte interaction panache-dorsales dans toute la région (Lagabrielle et al., 1997).

L'origine de la segmentation d'une dorsale lente et le comportement de l'accrétion dans un bassin jeune

La segmentation des dorsales océaniques à différentes longueurs d'onde a-t-elle son origine lors des stades d'ouverture d'un océan ou apparaît-elle lorsque celui-ci est déjà relativement mature ? Dans ce dernier cas, quelle est la durée de la période à l'issue de laquelle une dorsale acquiert une segmentation comparable à celle des dorsales des grands océans, en terme de longueur, caractéristiques structurales, crustales, etc.… ?

Pour tenter de répondre à ces questions, une campagne à la mer (projet ENCENS-SHEBA, co-chefs de mission P. Gente et S. Leroy) a été réalisée en juin-juillet 2000 sur la dorsale de Sheba à la sortie du Golfe d'Aden, dorsale qui fonctionne depuis environ 17 Ma. Ce site est assez unique dans le monde: d'une part, c'est le seul océan suffisamment jeune pour qu'il soit possible, de lever en une seule campagne, et sur une distance assez longue, la zone entre la marge - du Yemen - et la dorsale; d'autre part, la dorsale y est suffisamment bien exprimée pour avoir pu acquérir une segmentation indépendante de la géométrie de la cassure initiale.

Les premiers résultats montrent que la structure crustale héritée au moment de l’ouverture océanique reste remarquablement constante. Les anomalies de Bouguer réduites au manteau montrent une série de bandes sub-parallèles s’étirant entre la dorsale et la marge sur les deux flancs de la ride. Elles traduisent les variations dans l’épaisseur de la croûte liées à la segmentation et sont bien corrélées aux segments observés actuellement à l’axe de la dorsale

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de Sheba. La segmentation de la croûte océanique résulte donc assez directement de celle de la cassure continentale.

Sur un autre chantier, le travail de thèse de E. Alves a montré que la structure de la marge continentale brésilienne était segmentée par la présence de grandes failles transformantes (Rio Grande, Rio de Janeiro, Martins Vaz). Cette segmentation de la marge, créée au moment du rifting, se traduit par la présence d’alignements volcaniques associés à des structures tectoniques majeures (alto de Cabo Frio, par exemple, dans la continuité de la zone de fracture de Rio de Janeiro). Cette segmentation perdure ensuite dans la mise en place de la croûte océanique sur une très longue période.

Magmatisme et déformations à l'axe des dorsales lentes

Les résultats obtenus à partir des synthèses bathymétriques

La variation de l'état thermique des segments d'accrétion et la focalisation de la mise en place de la lithosphère des dorsales lentes ont des conséquences importantes sur le volcanisme et la tectonique observables en surface. A partir de l'étude systématique d'un grand nombre de segments, nous avons pu montrer que l'activité volcanique s'exprime de manière différente d'un segment à l'autre, et même au sein d'un même segment, l'état thermique jouant un rôle important dans l'apport de magma et les températures d'émission des laves (thèse Thibaud; Thibaud et al., 1998, 1999).

Les segments chauds possèdent des rides volcaniques importantes et de grandes zones plates sur lesquelles des laves plus fluides comme des lacs de lave peuvent prendre place. La géométrie et la symétrie des grandes rides volcaniques de part et d'autre de l'axe sur ce type de segment montrent qu'elles ont une origine issue d'un cycle magmato-tectonique. Par contre, sur les segments froids, l'activité magmatique étant très réduite, les petits reliefs volcaniques formés (volcans ou monts du type de ceux observés dans la zone FAMOUS) sont rapidement partiellement ou totalement détruits. Les reliefs hors axes sont alors principalement issues de phénomènes tectoniques.

La focalisation de l'accrétion au centre d'un segment provoque un approfondissement des isothermes du centre vers les extrémités. Dans ces zones, le volcanisme s'exprime sous la forme d'édifices circulaires isolés, formés exclusivement de laves en coussins, et répartis sur une grande partie du plancher interne. Au centre des segments, au contraire, le volcanisme est plus focalisé, plus chaud et distribué de façon relativement régulière le long de l'axe. Ces variations sont fonction de la profondeur des réservoirs magmatiques, de leur taille et de la température du magma émis.

En ce qui concerne les structures d'origine tectonique, la dimension et la répartition des escarpements majeurs ainsi que la profondeur et la largeur des vallées axiales changent de façon importante entre le centre les extrémités de segments chauds, cette variation étant moindre pour les segments plus froids. Une vallée axiale étroite et relativement profonde formée par quelques grands escarpements, caractérise les centres de segment chauds. Les extrémités de segments possèdent des vallées larges, peu profondes, formées par de nombreux escarpements à faible rejet.

La segmentation magnétique des dorsales lentes

Dans le cadre du doctorat de Morgane Ravilly (Ravilly et al., 1998; Ravilly, 1999), nous avons utilisé une compilation des données magnétiques de surface le long de la dorsale médio-Atlantique entre 20 et 40°N pour montrer que l'amplitude et la forme de l'anomalie magnétique axiale varie systématiquement entre le centre et les extrémités des segments.

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Le segment de la dorsale médio-Atlantique situé à 21°40'N a fait l'objet d'une analyse détaillée lors de la campagne Tammar en 1996. Les données magnétiques de fond acquises par un magnétomètre fixé au Nautile permettent de déterminer une aimantation absolue de la partie superficielle du plancher océanique, grâce aux fluctuations de l'altitude du submersible et de la topographie (Honsho et al., en cours de révision). Cette aimantation ne présente pas de variation significative le long du segment, observation confirmée par les mesures d'aimantation rémanente effectuées sur des échantillons collectés par le Nautile. De même, les variations du contenu en fer et en titane de ces mêmes échantillons sont modestes. Ces observations éliminent l'hypothèse d'une variation de l'aimantation des basaltes comme cause première des variations d'amplitude de l'anomalie axiale et plaide en faveur d'un effet dominant de corps aimantés profonds, peut-être des intrusions gabbroiques ou des péridotites serpentinisées, en extrémité de segment. Un tel modèle expliquerait les variations de forme des anomalies magnétiques de surface. Les anomalies de centre de segment, causées par l'aimantation thermo-rémanente des basaltes, restitueraient un signal dominé par les variations d'intensité du champ géomagnétique et modulé par les effets de l'altération, ce qui créerait les lobes plus ou moins bien exprimés de cette anomalies. Les anomalies des extrémités de segment, liées à la mise en place - par intrusion ou par diapirisme - de corps de géométrie complexe et à l'acquisition lente et hétérogène - par refroidissement progressif ou par altération - d'une aimantation rémanente thermique ou chimique, ne seraient pas capables de restituer qu'une information moyenne sur la polarité magnétique, d'où l'arche unique observée (Ravilly, 1999).

Pour aller au-delà de modèles restant principalement conceptuels, il a paru indispensable de tenter d'en tester ne serait ce que la vraisemblance par une simulation numérique, travail qui fait l'objet d'une partie de la thèse de S. Gac (soutenance prévue en sept. 2002). Dans un premier temps, une structure thermique tridimensionnelle réaliste d'un segment de dorsale lente a été simulée. Le résultat de ces simulations montre que la remontée des isothermes sous le centre du segment ne permet pas d'atteindre l'isotherme de Curie de la titanomagnétite (de la magnétite) dans les basaltes extrusifs (intrusifs), et affecte insuffisamment les gabbros pour expliquer les variations d'amplitude observées. La variation des aimantations requises dans les niveaux magmatiques est largement supérieure à celle observée sur les échantillons de la dorsale médio-Atlantique. Ces deux processus ne peuvent expliquer à eux seuls les observations, alors que l'adjonction à la simulation de serpentines aimantées permet d'en rendre compte de façon satisfaisante. La contribution de corps profonds en extrémités de segment est donc requise par les simulations (Gac et al., soumis).

Les résultats de la modélisation analogique

Nos travaux récents montrent que la variation du profil rhéologique de la lithosphère entre centre et extrémités permet d'expliquer les différences morpho-structurales décrites plus haut (nombre, espacement et rejets des escarpements). Les variations du profil rhéologique sont dues aux variations latérales du gradient thermique et aux variations lithologiques entre centre et extrémités de segments. Le centre est chaud et possède une croûte épaisse, les extrémités sont froides et la croûte est fine, mais la lithosphère épaisse. Ainsi, l'épaisseur de la couche fragile varie, ainsi que la viscosité de la partie ductile de la croûte.

Déformations au voisinage d’une dorsale

Les données disponibles pour reconstituer la géométrie des centres d’accrétion sont, de par leur abondance, de plus en plus difficiles à concilier dans un modèle de plaques rigides où la géométrie des dorsales est parfaitement reproduite, à chaque époque, sur chacun des flancs de la dorsale. En particulier, depuis la réalisation des levés détaillés avec des profils espacés de

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quelques kilomètres, on s’apercoit que l’assemblage de ces données détaillées, correspondant à quelques segments successifs, diffère et semble même parfois incompatible avec des résultats obtenus à l’échelle de la dorsale dans son ensemble. Cette observation ainsi que la superposition imparfaite des isochrones suggèrent que la lithosphère océanique se déforme au voisinage des centres d’accrétion. C’est ce qu’a démontré le travail de thèse de Gilles Jacovetti (2001) à partir d’une synthèse de données magnétiques (1700 points répartis sur 6 inversions) et structurales (180 points) sur la dorsale centrale Atlantique.

Les assemblages obtenus à partir de différentes combinaisons de segments pour une même anomalie font intervenir des rotations significativement différentes selon les sous-ensembles considérés. Ce résultat suggère une accrétion différentielle entre segments qui induit des déformations soit localisées sur des discontinuités majeures (zones de fracture), soit réparties de façon diffuse sur l’un ou sur les 2 flancs de la dorsale. Par exemple, à partir de deux sous-ensembles séparés par la zone de fracture Atlantis, on mesure à l’anomalie 3 une transpression significative de l’ordre de 5 km (1 à 18 km). A partir de 2 ensembles distants de 450 km, est mis en évidence pour tous les âges considérés un mouvement d’extension parallèle à la dorsale; cette extension n’est significative, au sens statistique du terme, que pour les anomalies 3 et 4A (1 à 2%). Les défauts d’assemblage, c’est-à-dire les lacunes et les recouvrements des isochrones, varient dans l’espace et dans le temps. Leur dimension n’excède pas 20 km et ne croit pas avec l’âge. Nous en déduisons que la déformation intervient dans le 1er million d’années et que la lithosphère se comporte de façon rigide ensuite. Les défauts d’assemblage apparents sont toutefois plus nombreux au nord de la zone de fracture Atlantis et plus importants à 7 et 10 Ma.

Les analyses précédentes reposent sur des méthodes statistiques qui tiennent compte des incertitudes sur les données et des incertitudes résultantes sur les paramètres de rotation. La méthode de reconstruction originale (Royer & Chang 1991; Kirkwood et al. 1999) a été adaptée aux données manipulées, en particulier la prise en compte d’isochrones courbes et de la difficulté de repérer précisément les discontinuités ou zones de fracture conjuguées. De nouveaux tests statistiques (Chang et al. 2000) ont aussi été mis au point afin d’évaluer l’influence de chaque donnée ou de groupes de données sur l’assemblage considéré et ainsi repérer les données ou les segments à problème.

L'accrétion dans certains contextes particuliers

Les conséquences des changements rapides de la direction d'expansion

Les travaux conduits pour expliquer l'origine de la segmentation des dorsales ont été menés sur des systèmes dont la géométrie perdurait pendant quelques millions d’années au moins. Notre intérêt se porte maintenant sur le comportement de la lithosphère océanique lors d’un changement de direction dans le mouvement relatif des plaques (Thèse Angelina Blais, en cours). Nos premiers résultats indiquent que ces changements s’accompagnent d’une mise en place d’une nouvelle segmentation, avec disparition et création de zones de fracture, et d’importantes propagations d’axe d’accrétion qui peuvent débuter lors de ce changement. Toutefois, ce comportement peut largement varier d’un système d’accrétion à l’autre. Dans le Pacifique, par exemple, les changements de direction d'expansion provoquent, même lorsqu'ils sont de faible angle, quasi-systématiquement la naissance de microplaques. Dans l’océan Indien, par contre, on a pu observer une rotation importante qui réorganisait la segmentation de l’accrétion sans pour cela créer clairement de microplaques. Dans ce cas, pourtant, au commencement du changement de direction, la vitesse d’expansion était comparable à celle de Pacifique.

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La propagation des centres d'expansion

La mise en évidence, dans les bassins conjugués d'Arabie et de Somalie oriental, d'épisodes de propagation systématique des segments de la paléo-dorsale de Carlsberg entre 60 et 45 Ma (Dyment, 1998) a conduit l’élaboration d’un projet de collaboration avec des collègues Indiens du National Institute of Oceanography de Goa, arrivés indépendamment à des conclusions similaires. Ce projet, accepté par le Centre Franco-Indien pour la Promotion de la Recherche Avancée (IFCPAR) en 1998, a débuté en 1999 avec le séjour d'une année en France du Dr. Anil Chaubey. Nous avons combiné les jeux de données français, indiens et "internationaux" (NGDC) et avons repris l'interprétation des anomalies magnétiques de la région, de manière à identifier les isochrones de l'accrétion et les traces de propagateurs (Chaubey et al., sous presse). Nous avons ensuite effectué des reconstructions détaillées décrivant l'évolution de la région, et notamment des nombreux propagateurs (Royer et al., sous presse). Ces travaux ont conduit à l'élaboration du concept de "super-propagateur", ensemble de segments se propageant simultanément dans la même direction et partageant la même pseudo-faille externe, qui devient progressivement une structure tectonique majeure guidant la propagation des segments de dorsale (Dyment et al., 2001). Ce concept semble s'appliquer parfaitement aux deux épisodes de propagation dans des directions opposées observés sur la paléo-dorsale de Carlsberg.

Les dorsales lentes présentent souvent le cas de propagation relativement erratique de segments qui se développent au détriment de leurs voisins. Ce type de propagation semble lié au développement propre des segments, contrairement aux cas de propagation systématique qui relèvent d'ajustements consécutifs à un changement de direction d'expansion ou de l'accommodation de situations particulières (proximité d'un point chaud, Dyment, 1998; évolution d'un point triple, Dyment, 1993). Les modèles de propagation qui ont cours reposent sur des considérations tectoniques. Dans le cadre de la thèse de S. Gac, nous avons montré que le simple allongement d'une zone chaude de géométrie en tout autre aspect semblable permet d'expliquer les différents types de segments observés sur la dorsale médio-Atlantique. Nous avons ensuite simulé de manière assez convaincante les rhomboèdres et la propagation apparemment erratique des segments comme résultant de l'évolution désynchronisée de segments adjacents.

La rotation de microplaques

Plusieurs mécanismes ont été invoqués pour expliquer la rotation de la "fabrique" Nord-Sud des collines abyssales formées à l'axe de la dorsale du Pacifique Est au Nord de la microplaque Easter/Rapanui qui devient Est-Ouest à l'intérieur de la microplaque. Les processus invoqués comprennent une rotation de la microplaque considérée comme une unité rigide, un cisaillement parallèle à une faille transformante ou du "bookshelf faulting" accompagnant le transfert de lithosphère de la plaque Nazca à la microplaque. Les données de magnétométrie acquises avec le submersible Nautile pendant la campagne PITO montrent des rotations dans le sens horaire de l'aimantation de deux cibles (pillow in situ sur un sommet à l'intérieur de la microplaque, éperon sur un dyke au Nord du Pito Deep) trop importantes (101° et 86° respectivement) pour être seulement expliquées par la rotation rigide de la microplaque: une composante importante de "bookshelf faulting" doit être invoquée.

La datation magnétique des événements récents: vers un géochronomètre magnétique de haute résolution ?

La séquence des inversions du champ géomagnétique représente un géochronomètre largement utilisé pour dater des événements plus jeunes que 160 Ma avec une résolution de l'ordre du million d'années. C'est notamment le cas pour les domaines océaniques profonds,

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où les anomalies magnétiques dites "de Vine et Matthews" (1963) sont utilisées avec succès depuis plus de 35 ans. La limitation de ce chronomètre est sa faible résolution temporelle, notamment pour la période récente: la première inversion de polarité magnétique observée, qui sépare les périodes normales de Brunhes et inverse de Matuyama, correspond à un âge d'environ 800 ka. Les travaux menés sur des carottes sédimentaires pélagiques ont montré l'existence de variations cohérentes de l'intensité du champ géomagnétique au cours de cette période. Ces variations pourraient permettre, si elles étaient datées avec précision, d'affiner le géochronomètre magnétique à une résolution d'environ 10 à 100 ka.

Les données magnétiques acquises en 1998 lors de la campagne Magofond 2 à l'aide d'un magnétomètre tracté à proximité des sources (deep tow) à travers l'axe de la dorsale centrale indienne à 19°S nous ont clairement permis de confirmer que les "micro-anomalies" magnétiques (tiny wiggles) de faible amplitude et de courte longueur d'onde qui se superposent aux anomalies de Vine et Matthews sont clairement d'origine géomagnétique et correspondent aux variations de paléointensité reconnues sur les sédiments (Pouliquen et al., 2001). Lors de la campagne Tammar, nous avons acquis un jeu de données magnétiques exceptionnel (anomalies enregistrées en surface par magnétomètre tracté et à proximité du fond par magnétomètre attaché au submersible Nautile, aimantation rémanente naturelle et paléointensité du champ géomagnétique déterminées sur les échantillons collectés par le submersible) qui montrent que la croûte océanique représente dans cette zone un enregistreur fidèle des variations d'intensité du champ géomagnétique (Honsho, 1999; Ravilly, 1999; Ravilly et al., 2001). Il a malheureusement été impossible de dater les échantillons collectés, constitués de basaltes de dorsales appauvris en éléments en trace requis par les différentes méthodes radiochronologiques.

En 2000, nous avons recueillis au cours de la campagne Gimnaut du N.O. L'Atalante et du submersible Nautile un jeu de données similaire à l'axe de la dorsale centrale indienne à 19°S, qui présente le double avantage d'un taux d'expansion plus rapide (donc une meilleure résolution temporelle des fluctuations géomagnétiques étudiées) et de basaltes enrichis de par l'interaction de la dorsale avec le point chaud voisin de la Réunion. Une première analyse des données collectées confirme la qualité de restitution du signal géomagnétique par la croûte océanique. La datation absolue des basaltes d'une des coupes réalisées grâce aux plongées du Nautile est en cours par les méthodes des déséquilibres radioactifs U-Th et K-Ar dans le cadre d'une thèse (Esthèle Maina). Ce travail est réalisé en collaboration avec H .Guillou (LSCE Gif)

Les dorsales, reflet de la structure thermique et chimique du manteau

L’Atlantique Equatorial et la Discordance Australo-Antarctique : deux exemples de dorsale développées au-dessus de zones froides du manteau:

La température du manteau sous-jacent à la dorsale joue un rôle important dans le processus de l’accrétion. Par exemple, si des dorsales ultra-lentes présentent des caractéristiques crustales et morphologiques résultant d’un fonctionnement "froid", avec peu de production de croûte et dominance de la tectonique, des dorsales à taux lent, voire intermédiaire, peuvent également présenter ce type de caractéristiques, qui résulteraient dans ce cas de la présence d’un manteau froid.

L'Atlantique équatorial

La dorsale de l’Atlantique Equatorial, à taux lent, présente ainsi des caractéristiques d’une dorsale ultra-lente du fait de la présence d’un manteau froid sous-jacent. Cette zone froide correspond à un minimum dans les températures de fusion et à une zone à faible production

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crustale et à fortes profondeurs axiales. De nombreux affleurements de roches ultramafiques y sont observés, ce qui s’accorde bien avec des faibles taux de production de croûte. L’extension tectonique est ici le processus dominant dans l’accrétion. Des analyses des isotopes de l’osmium ainsi que des modèles de tomographie globale suggèrent la présence de fragments de lithosphère ancienne dans le manteau de l’Atlantique Equatorial, peut être résidus d’une ancienne subduction. La présence de ces blocs de lithosphère contribuerait à baisser significativement la température potentielle du manteau supérieur, créant ainsi une zone “ froide ”.

Les études minéralogiques et géochimiques menées en collaboration avec Monique Seyler sur les échantillons de la campagne St-Paul ont montré que les péridotites renferment une paragénèse relique de haute température et bien mantellique, dont les caractéristiques ne sont pas typiquement abyssales, mais franchement métasomatiques, similaires aux minéraux des péridotites de l'extrémité orientale de la dorsale Ouest-Indienne. Ces minéraux métasomatiques (pargasite, phlogopite, etc.) ont certainement cristallisé à partir de liquides hydratés et ne peuvent donc pas provenir de la fusion d'un manteau type source des MORB, ni d'un manteau primitif ou OIB. Du fait que ces minéraux métasomatiques sont des reliques blindées dans l'opx, le métasomatisme est antérieur à la mise en place des péridotites par décompression sous la dorsale. L'étude des rapports isotopiques de Sr, Nd et Pb a confirmé la grande hétérogénéité du manteau de St-Paul, et une origine partiellement de type HIMU, suggérant la présence d'une ancienne croûte océanique subduite dans ce manteau anormal (A. Le Faouder, DEA UBO, juin 2002).

La Discordance Australie -Antarctique

Pendant la campagne MD120/ANTAUS du Marion Dufresne (chefs de mission L. Géli et J.L. Turon de l'Université de Bordeaux), nous avons tenté de quantifier les anomalies de température à l'intérieur du manteau supérieur liées à la Discordance Australie-Antarctique, une zone généralement associée à un «point froid» (par opposition aux «points chauds»), et à la possible manifestation d'un courant descendant vers les profondeurs de la terre. Les données principales concernent les mesures de flux de chaleur terrestre au fond de l'océan entre 130°E et 90°E, sur une isochrone d'âge 14 Ma, parallèle à la dorsale Sud-Est Indienne. Les variations d'activité hydrothermale, qui imposent de nouvelles conditions aux limites à la base de la croûte, ont une influence majeure dans les variations de subsidence observées dans la région de la Discordance Australie-Antarctique. Un autre résultat remarquable est tout à fait inattendu. Pour les mesures effectuées à l'intérieur de la discordance, nous observons systématiquement que le gradient de température dans les sédiments n'est pas linéaire lorsqu'on se rapproche de la surface. Les écarts peuvent être expliqués par des variations saisonnières de la température des eaux de fond. La discordance étant le lieu de passage des eaux profondes en provenance de l'Antarctique (Antarctic Deep Bottom Water), nos données pourraient montrer que ces masses d’eau sont affectées par des variations saisonnières importantes, de l'ordre de 0.05°C à 0.1°C. Ce résultat préliminaire doit être confirmé par une analyse plus approfondie.

Les hétérogénéités chimiques du manteau sub-océanique et leurs conséquences sur l'accrétion

La ride médio-atlantique Nord entre 31 et 45°N (missions FAZAR, OCEANAUT, DIVA, TRIATNORD).

Une meilleure résolution géochimique le long de l'axe de la dorsale (campagne FAZAR, C. Langmuir) fait apparaître une segmentation chimique plus fine et en particulier, une signature géochimique du domaine des Açores proprement dit au nord de 37°N, corrélée à la

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bathymétrie. Cette corrélation est une observation qui conforte une interprétation en termes de "propriétés de la source" plutôt que résultant d'un taux de fusion partielle variable. De plus, ces nouvelles données mettent en évidence le caractère anormal des échantillons localisés immédiatement au nord de la zone de fracture Oceanographer. Ces échantillons présentent des caractéristiques rappelant celles trouvées le long de Walvis Ridge ou dans le Pacifique sur les monts sous-marins Pitcairn. L'implication de manteau subcontinental ne peut être invoquée pour interpréter ces caractéristiques isotopiques particulières, ces échantillons ne présentant pas d'anomalie négative en Nb-Ta. Ce travail est complété par une étude spécifique du segment situé immédiatement au sud de la zone de fracture Oceanographer (campagne OCEANAUT).

Sur le même thème, des dragages ont été effectués lors la mission TRIATNORD 1998 (J. Goslin, chef de mission), campagne dont l'objectif principal était de caractériser la limite Nord de l'influence géochimique du point chaud des Açores. Les analyses sont faites mais au vu des résultats obtenus par une meilleure précision sur les rapports isotopiques de plomb, la publication dans l’immédiat est retardée.

L'examen des variations géochimiques des basaltes de la dorsale médio-Atlantique entre 10 et 70°N souligne la diversité des sources mantelliques échantillonnées par la ride et mérite que soit reposée la question de la définition géochimique d'un "N-MORB".

L'analyse fine des concentrations d'éléments en trace par dilution isotopique sur les mêmes échantillons analysés pour leur composition isotopique (Sr-Nd-Pb) a permis de mettre en évidence des corrélations linéaires entre rapports isotopiques et rapports père/fils dans les systèmes Rb-Sr et Sm-Nd. Les pentes de ces corrélations sont semblables et correspondent à des âges de 250 Ma, date qui peut-être rapprochée de l'événement tectonique majeur de la région, celui de l'ouverture de l'Atlantique. Cette observation prend d’autant plus de valeur aujourd’hui qu’elle semble être confortée par la mise en évidence de corrélations équivalentes à des « âges » de même ordre de grandeur, obtenus le long de la dorsale Pacifique par la technique de triple spike (Galer et al., 1999 , 2000 ). Dans le système Rb-Sr, deux corrélations distinctes et parallèles sont mises en évidence, l'une pour les échantillons pris entre 10 et 24°N, l'autre pour les échantillons pris entre 31 et 38°N. Cette observation démontre l'hétérogénéité des rapports initiaux de strontium dans le manteau appauvri.

La ride Pacifique-Antarctique (mission PACANTARCTIC)

L'étude géochimique des basaltes prélevés le long de l'axe de la dorsale entre 56 et 65°S permet de compléter une compilation des données isotopiques Sr-Nd-Pb des basaltes prélevés le long de l'axe de la dorsale Pacifique depuis l'est de la discordance antarctique-australienne jusqu'à la zone Juan de Fuca. Cette compilation montre l'existence de deux grands domaines subocéaniques dans le Pacifique (Vlastélic et al., 1999). La séparation entre ces deux domaines se situe au niveau de la microplaque de l'île de Pâques et correspond à une limite topographique : au nord de cette limite, la dorsale est plus profonde qu'au sud. L'interprétation de ces résultats discute les notions de sources mantelliques différentes ou de processus de mise à l'affleurement, différents dans les deux domaines.

La dorsales de Futuna (campagne ALAUFI) et la dorsale Centrale Indienne (campagne GIMNAUT)

Les travaux réalisés sur ces différents chantiers sont, pour la campagne ALAUFI, les mesures des compositions isotopiques en Pb, Sr et Nd des échantillons dragués à l'axe. Les segments de cette nouvelle dorsale ont une morphologie qui varie énormément du nord vers le sud, et l'étude géochimique a pour objectif de tester si cette variation a un lien avec la composition et/ou l'étendu de la zone de fusion mantellique sous-jacente. Les mesures

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effectuées sur ces échantillons vont également nous permettre de tracer sur une distance réduite (200km) des probables hétérogénéités dans le manteau supérieur et peut-être de faire le lien entre ces hétérogénéités et la dynamique de l’accrétion océanique dans ce secteur. Dans le cas de la campagne GIMNAUT, les mesures des caractéristiques pétrologiques des laves échantillonnées ont permis d'effectuer un tri sélectif dans ces dernières, afin de mener à bien l'étude couplée géochronologie-magnétisme.

L’accrétion océanique étudiée sur des objets fossiles: les ophiolites

Programme franco-iranien d'études sur les ophiolites iraniennes

Ce programme mené depuis 1997 en collaboration avec nos collègues du Geological Survey of Iran et sept doctorants iraniens, a permis de reprendre l'étude d'un certain nombre de massifs ophiolitiques plus ou moins proches de la suture du Zagros, en particulier les massifs de Khoy, de Neyriz, d'Esfandagheh et de Kahnuj (du nord au sud). Les âges de ces ophiolites et de leurs formations encaissantes étant très mal connus, nous avons développé un important programme de datations par plusieurs méthodes isotopiques (40K-40Ar et Sm-Nd à Brest, 40Ar-39Ar à Strasbourg). Joints à un gros travail de cartographie détaillée sur le terrain et d'études pétrographiques et géochimiques en laboratoire, ces datations ont permis de reconstituer la chronologie de formation et de mise en place de ces complexes, et de préciser leurs contextes géodynamiques de formation. Les uns représentent des fragments de l'ancienne dorsale mésozoïque néo-téthysienne (Khoy, Neyriz), d'autres représentent des bassins ou rifts avortés en contexte arrière-arc (Esfandagheh, Kahnuj), en liaison avec la subduction nord-téthysienne.

Fin du programme sur l'hydrothermalisme fossile de l'ophiolite d'Oman.

T. Juteau a co-édité avec Françoise Boudier un volume spécial sur l'ophiolite d'Oman ("The ophiolite of Oman and United Arab Emirates", Mar. Geophys. Res., 21, n°3-4), comprenant un article synthétique sur l'ensemble des données acquises par notre équipe sur la zone de réaction du système hydrothermal fossile de cette ophiolite. L'études des inclusions fluides et les analyses élémentaires in situ par la méthode PIXE permettent de conclure à un mélange, dans cette zone située au toit des chambres magmatiques, de fluides tardi-magmatiques et d'eau de mer évoluée.

Etude régionale de deux massifs ophiolitiques du Tibet

Une étude régionale de deux massifs ophiolitiques du Tibet (Zhedang et Bemarang, bloc de Lhassa) a été menée ces deux dernières années (Mathieu Benoit). Ce travail a été entrepris en collaboration avec le laboratoire de Géologie et Génie Géologique de l’université de Laval (Québec). Dans le cadre de cet échange, une chercheuse en séjour post-doctoral, Véronika Varfalvy, a passé deux ans dans notre laboratoire. Elle a réalisé une étude pétrologique et géochimique (éléments en trace, isotopes) détaillée de ces massifs, en particulier des échantillons mafiques (basaltes, diabases), ceci afin de contraindre le cadre géodynamique dans lequel ce sont formées ces sections de paléo-lithosphère. Les résultats préliminaires montrent que plusieurs épisodes volcaniques coexistent dans ces massifs, montrant des affinités avec des laves produites en domaine d'accrétion océanique franc, en position d'arrière-arc ou directement au-dessus d'un arc immature. D'autre part, il semble que les sections mantelliques associées soient génétiquement distinctes de la croûte. Leur étude est en cours actuellement.

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Asthénosphère et interactions lithosphère/asthénosphère en domaine océaniquePersonnel impliqué: Claire Bassoullet, Hervé Bellon, Mathieu Benoît, Martial Caroff, Jo Cotten,

Jérôme Dyment, Jean Francheteau, Pascal Gente, Jean Goslin, Marc-André Gutscher, Christophe Hémond, Marcia Maia, René Maury, Jean-Yves Royer, Jean-Louis Thirot

Doctorants: Jean-Philippe Clément, Stéphane Dreher, Christèle Legendre (en cours), Morgane Ravilly, François Nauret (en cours, co-encadrement avec Max Planck für Chemie)

Post-doctorants : Kelsey Jordhal

Collaborations : J. Arkani-Hamed (McGill, Canada), S. Blais et O. Dauteuil (Rennes I), C. Chauvel (Grenoble), G. Guille (LSCE Bruyères), H. Guillou (LSCE Gif), C. Devey (Bremen, Allemagne), A. Briais (Toulouse), A. Hofmann (MPI Mainz, Allemagne)

Ce thème rassemble les compétences de l’UMR (géophysique, géologie structurale, pétrologie et géochimie) sur plusieurs chantiers. Il a montré la nécessité de travailler, pour chaque problème géodynamique abordé, dans une vaste gamme d’échelles complémentaires et en intégrant différentes disciplines. Les compétences rassemblées dans l’UMR permettent cette approche multi-scalaire et pluridisciplinaire.

Deux thèmes prioritaires apparaissent dans le bilan des travaux de l’UMR sur cette thématique: les interactions entre panaches et dorsales et les interactions entre l’asthénosphère et la lithosphère, principalement en contexte intraplaque.

Interactions points chauds/dorsales (influence des points chauds sur l'accrétion actuelle)

Les principaux objectifs de ce thème sont, d’une part de cerner l’influence de la présence d’un panache sur l’accrétion océanique d’un point de vue morphostructural, crustal et chimique et d’autre part de contraindre la dynamique du manteau supérieur dans les contextes d’interaction.

Dorsale à taux lent s’éloignant d’un point chaud : dorsale Nord-Atlantique et le point chaud des Açores

Contraintes géophysiques et structurales

Les liens possibles entre les mécanismes profonds de l'accrétion, actifs dans le manteau supérieur, et les processus superficiels de l’accrétion, ont été étudiés par une interprétation conjointe des résultats issus de plusieurs techniques (Goslin et al., 1998). Les hétérogénéités du manteau supérieur ont été caractérisées à l’aide des modèles de géoïde, des modèles tomographiques d’ondes P et des résultats de géochimie isotopique et les processus superficiels de l’accrétion ont été caractérisés à grande échelle à l’aide de la gravimétrie à l’air libre, bathymétrie et sismicité des dorsales. A l'échelle de l'ensemble des dorsales lentes de l’Islande au Golfe d’Aden, et en particulier au voisinage des Açores (Goslin et al., RST 2000), il a été montré que les interactions entre points chauds et dorsales sont complexes (Goslin et al., 1998) et impliquent à la fois des processus profonds liés aux panaches et des effets "lithosphériques". Ces interactions sont fortement variables au cours du temps, conséquence d'une probable variabilité de l'activité des panaches eux-mêmes.

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Le point chaud des Açores et ses relations avec la dorsale médio-atlantique ont fait l'objet de travaux impliquant plusieurs membres du laboratoire. Ce cas correspond à celui d’une dorsale qui s’éloigne d’un point chaud. Avec les données disponibles, nous avons déjà pu montrer que pour la zone des Açores, l'influence thermique du point chaud le long de la dorsale vers le sud s'étend sur environ 1600 km, de façon indépendante des zones de fracture (Thibaud et al., 1998). Cette limite observée dans la bathymétrie et la gravimétrie se corrèle parfaitement avec celle obtenue à partir des données géochimiques du fer ou de la silice. L'analyse des données a permis de proposer que la limite nord de l'influence du point chaud sous l’axe de la Dorsale est située entre 43°N et 44°N. Un tel résultat est en accord avec l'asymétrie de la structure thermique du manteau supérieur telle qu'elle apparaît sur les modèles tomographiques globaux.

La synthèse des données bathymétriques, magnétiques et altimétriques autour du point chaud des Açores jusqu’à l’anomalie 13 (~38 Ma), donne des contraintes précises sur l’épisodicité des apports magmatiques du point chaud, la durée de ces événements et leur extension le long de l’axe de la dorsale. L’analyse de ces données montre que le point chaud a commencé son activité autour de l’anomalie 6 (~20 Ma), avec le début de mise en place du Plateau des Açores, qui se marque par un dénivelé de plus de 1500m par rapport au plancher environnant. Ce plateau se développe ensuite pendant environ 13 Ma, son extension maximale atteignant 600 km autour de l’anomalie 5 (10 Ma). Cette période de construction magmatique importante est ensuite suivie d’une période d’ouverture de ce plateau qui débute vers 9 Ma au nord et se propage vers le sud pendant environ 6 Ma. La croûte océanique depuis l’ouverture du plateau se caractérise par une rugosité et une segmentation “normale” par rapport à celle située sur le plateau lui-même. Lors de la construction du plateau, de forts reliefs, à l’époque des anomalies 6 (20 Ma) et 5A (12 Ma), signent des périodes de très fortes productions magmatiques. Ces événements se traduisent par des « marches » dans le socle de l’ordre de 1000 à 2000m de dénivelé, associées à d’importantes variations de l’épaisseur crustale. Ils se propagent le long de l’axe de la dorsale sur plusieurs centaines de kilomètres. Ces données montrent que le point chaud des Açores s’exprime en surface de manière discontinue et avec des apports de matière variables au cours du temps. Cette activité discontinue peut être mise en relation avec le mouvement de la dorsale par rapport à un point chaud supposé fixe. La mise en place du plateau coïncide avec la superposition de la zone de panache du point chaud avec la zone de fusion de la dorsale. Le “rifting” du plateau coïncide avec l’éloignement progressif de ces deux zones (Gente et al., 2001, en préparation). Les reconstructions cinématiques permettent aussi de relier le plateau de Great Meteor à celui des Açores et d'en retracer l'origine commune, à l'axe de la dorsale, durant deux épisodes de coïncidence de l'axe de la dorsale et du point chaud. Remarquons enfin que si la croûte créée à l'axe actuel de la dorsale est morphologiquement normale, la contamination géochimique est encore clairement exprimée à grande distance du point chaud, l'asymétrie entre les régions Nord et Sud des Açores pouvant s'expliquer par l'existence d'un épisode ancien - la création de Great Meteor - au Sud (Gente et al., 2001 et en préparation).

Ces études n’ont toutefois pas permis de préciser la géométrie de la tête du panache au nord des Açores : existent-ils plusieurs panaches de dimensions horizontales réduites ou un seul panache dont les manifestations en surface dépendent des hétérogénéités de la lithosphère (Benoit et al., soumis 2002) ? Pour tenter de répondre à ce type de questions, un modèle d'anomalies de vitesses sismiques d'ondes P pour le manteau supérieur sous la région axiale de la Dorsale Médio-Atlantique (MAR) est indispensable. Ce modèle devra posséder une résolution horizontale suffisante (quelques centaines de kilomètres – voire la centaine de kilomètres-) pour pouvoir être confronté aux résultats des synthèses structurales à l’échelle d’un ou plusieurs segments d’accrétion. Les travaux pour obtenir un tel modèle, (par

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inversion des anomalies de temps de trajet des ondes de volume, engendrées par les séismes se produisant à l’axe, et enregistrées par des stations distantes) ont débuté en 2001.

Contraintes géochimiques

Le fait de savoir si les anomalies chimiques à courtes et moyennes longueurs d'ondes le long des dorsales lentes résultent d'une interaction point chaud – dorsale ou reflètent l'entraînement passif de matériel enrichi dans le manteau supérieur est l'objet d'un long débat. L'étude des verres volcaniques collectés le long de la dorsale nord - atlantique entre 41 et 45°N, au nord de la zone de fracture de Kurchatov, permet d’étudier cette question. La détermination des déséquilibres radioactifs 226Ra-230Th-238U permet de tenter d’éclairer ce point.

La section 41-45°N est un segment de dorsale lente et peu magmatique sans segmentation de premier ordre. Le caractère appauvri de la source visible dans les compositions isotopiques de Sr (Dosso et al. 2000) et les concentrations en éléments en traces augmente vers le sud et est fortement corrélé au Fe8.0. Les verres très frais et pratiquement d’âge zéro utilisés pour cette étude montrent des fractionnements (230Th/238U) significatifs (19-38%) dans le sens d’un excès de Th. Le fractionnement est minimum vers 43-44°N puis augmente vers le sud jusqu’à un maximum local à 41.7°N puis décroît vers les Açores. Ce rapport de fractionnement n’est pas corrélé avec la profondeur de la vallée axiale alors que cela a été observé au travers la zone du point chaud des Açores (Bourdon et al. 1996). Une faible corrélation négative avec le rapport (Dy/Yb)N semble monter la signature du grenat résiduel dans la source.

Dans le diagramme isochrone qui représente le rapport (230Th/232Th) en fonction du rapport (238U/232Th), deux pseudo-isochones apparaissent. D’après Lundstrom et al. (1998), une façon simple d’expliquer ces alignements est de considérer un mélange local de deux magmas provenant de source distinctes : un magma enrichi (à haut Th/U) provenant de « blobs » dans un composant appauvri (à bas Th/U). Chaque source fond pour une vitesse spécifique de remontée du manteau et ce, pour chaque segment. Des modèles de vitesse de remontée du manteau de 2,5 cm/an au sud et de 4 cm/an au nord pourraient expliquer les différences systématiques observées. Les excès de Th plus modérés dans la zone « enrichie » vers 43°N pourraient être créés par une vitesse de remontée du manteau deux à trois fois plus rapide (7cm/an), indiquant alors un panache mantellique. Cependant, le faible magmatisme (Goslin et al. 1999) et les valeurs basses de Fe8.0 sont incompatibles avec une telle vitesse. Le découplage des excès de Th et de la signature de grenat résiduel indique que le signal « enrichi » est hérité et que le Fe8.0 est un meilleur indicateur de la profondeur de fusion. Par conséquent, le modèle d’enrichissement de la source par métasomatisme qui a apporté une signature héritée de grenat semble préférable. Il explique aussi le couplage très clair entre les enrichissements en traces et isotopiques. Dans ce cas, les variations régionales sont dominées par les vitesses différentes de remontée du manteau sous les sections de dorsales alors que la zone vers 43°N est une zone de remontée passive dominée par du matériel enrichi dans sa source qui fond à profondeur relativement faible (Kokfelt et al., in prep.).

Dorsales à taux lent s’éloignant d’un point chaud : dorsale sud-Atlantique et le point chaud d'Ascension

Les données récentes de bathymétrie, de géophysique (campagne SO84 du N/O Sonne) et géochimiques suggèrent la présence d'un point chaud dans l'Atlantique sud entre les zones de fracture de Bode Verde et Ascension, près de l'île d'Ascension qui a été appelé point chaud d'Ascension. Les données d'éléments en traces et de compositions isotopiques que nous avons obtenues sur des basaltes du mont sous-marin Grattan (situé près de la dorsale) suggèrent que ce volcan a été construit par le panache qui alimente actuellement le segment voisin de la

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dorsale medio-Atlantique. Elles montrent aussi qu'il peut représenter le "composant manquant" décrit par Hanan et al. (1986) de l'Atlantique sud. Sa signature isotopique diffère légèrement de celle de l'île d'Ascension et est plus radiogénique en 208Pb. Les concentrations en traces sont intermédiaires entre celles de MORB et celles caractéristiques des OIB . Ceci est interprété comme la présence d'un panache faible, peut être intermittent et légèrement hétérogène près du mont sous-marin Grattan (E. Bourdon & Ch. Hémond, 2000).

Dorsale à taux intermédiaire s’éloignant d’un point chaud :dorsale Centrale Indienne et le point chaud de la Réunion

Lors des campagnes Magofond 2 et Gimnaut, une série de rides secondaires qui prolongent la ride de Rodrigues jusqu'à la dorsale centrale indienne a été découverte puis levée de manière détaillée. La formation - récente, 2 Ma à l'actuel - de ces rides, qui n'ont pas de conjugué sur la plaque indienne, reste énigmatique, avec deux hypothèses concurrentes: celle de matériel drainé depuis le point chaud de La Réunion vers la dorsale centrale indienne, impliquant un mélange de ce matériel avec celui de la dorsale, et celle d'une contamination à grande échelle du manteau par le point chaud qui s'exprimerait par la fusion de matériel contaminé lors de l'ouverture de "fentes de tension" d'échelle lithosphérique. L'état de contraintes pouvant générer de telles "fentes de tension" pourrait résulter de la géométrie relative du point chaud et de la dorsale, du bombement thermique associé au premier, et éventuellement de périodes d'activité plus intense de celui-ci. La seconde hypothèse proposée explique bien la progression géochimique le long des rides, leur structure sigmoïde, et leur mise en place rapide. Les rides de Rodrigues, formée entre 7 et 10 Ma, et de Puka-Puka, formée entre 12 et 8 Ma, pourraient s'être formée de manière semblable, suggérant un second type de structures résultant de l'interaction entre point chaud et dorsale (Dyment et al., 2001). Entre 18 et 20°S, les caractéristiques morphologiques de la zone axiale de la CIR changent significativement et l'axe s'organise en grands segments peu marqués. Les résultats de l’étude gravimétrique montrent une faible augmentation de la température axiale et donc de la production crustale, traduisant peut être une faible influence du point chaud à l’axe de la dorsale (Le Namouric, 2000). Des travaux sont encore en cours afin de bien cerner une éventuelle interaction entre panache et dorsale ainsi que les implications pour la construction des rides hors axe de la CIR (Rodrigues, Gasitao) (Corre, stage de Maîtrise 2001). La modélisation géochimique du mode d'interaction entre le point chaud de la Réunion et la dorsale centrale indienne est le but de la thèse en cours (F. Nauret, co-encadrement avec A. Hofmann, MPI Mainz) sur les échantillons prélevés lors des plongées et par dragages durant la campagne Gimnaut. Cette interaction n'apparaît pas actuelle mais il semble que la dorsale se situe aujourd'hui pour partie au dessus d'une zone du manteau supérieur qui a été affectée par la mise en place du panache de la Réunion. Des analyses isotopiques sur les échantillons de la dorsale et des rides latérales soutiennent un tel modèle. De récentes mesures de concentrations d'éléments en traces sur des inclusions magmatiques dans des olivines d'un échantillon de la ride de Gasitao montrent la présence d'un composant éclogitique dans la source (Nauret et al. Conf. Goldschmidt Davos 2002). Ceci est interprété comme la trace du recyclage de la croûte océanique dans le manteau profond et sa remontée dans le panache du point chaud.

Dorsale rapide s’approchant d’un point chaud : dorsale Pacifique-Antarctique et le point chaud de la Fondation

L’interaction entre le point chaud de la Fondation et la dorsale Pacifique-Antarctique est un des seuls exemples connus où une dorsale s’approche d’un point chaud. La structure crustale et la morphologie de l’axe de la PAR au voisinage de la chaîne de la Fondation, ainsi que la composition chimique des laves qui y ont été échantillonnées apparaissent fortement

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influencées par le point chaud (Maia et al, 2000).

Le segment est plus élevé que les segments voisins et , par rapport à la valeur moyenne mondiale, présente un excès d’élévation (E) de ~700 m. La croûte, d’après les modèles gravimétriques, s’épaissit de plus d’un kilomètre, ce qui est significatif pour une dorsale à taux rapide. En outre, l’épaississement crustal est également observé pour le flanc est de la dorsale, ce qui témoigne que l’influence du point chaud à l’axe existe depuis au moins 1.0 Ma. En termes de composition, aucune valeur caractéristique de N-MORB n’est observée à l’axe de la dorsale à la latitude du point chaud. Cependant, les paramètres axiaux tels que l’excès d’élévation topographique de l’axe (E), l’épaisseur de croûte et l’extension de la contamination chimique le long de l’axe (W), montrent que, par rapport à la distance au point chaud (~50 km), l’influence à l’axe de celui-ci est relativement faible.

Le système point chaud de la Fondation-dorsale Pacifique-Antarctique ne suit pas les relations entre distance point chaud - dorsale et extension de la contamination chimique le long de l’axe ou entre distance et amplitude de l’anomalie topographique axiale, déduites par Schilling et collaborateurs pour des systèmes où la dorsale est à l’aplomb du point chaud ou s’éloigne de celui-ci. Ces paramètres axiaux suggèrent donc que la dynamique de l’interaction entre un point chaud et une dorsale est moins efficace dans le cas où une dorsale se rapproche d’un point chaud, confirmant les résultats des modèles convectifs publiés (Maia et al., 2000). De même, la chimie des volcans hors axe de la zone d’interaction montre que le matériel issu du panache s’est mélangé avec le manteau supérieur de façon fortement non-linéaire (Maia et al., 2001).

Il apparaît que, dans le cas d’une dorsale qui se rapproche d’un point chaud, le voisinage de deux zones chaudes résulte en une zone de fusion plus large, dans laquelle les processus de mélange entre les deux sources sont complexes et ne se font pas de façon linéaire. Le modèle de flux sublithosphérique linéaire sous forme de canal étroit ne semble donc pas s’appliquer pour le cas où la dorsale s’approcherait du point chaud.

Interactions panache-dorsale en contexte de bassin marginal

Aspects structuraux

La campagne a permis la découverte et la cartographie d’un système d’accrétion (Dorsale de Futuna) actif qui s’étend selon une direction globale N30 sur plus de 200 km depuis le Nord-Ouest de Futuna jusqu’aux îles Nord Fidjienne. Ce système d’accrétion est composé d’une succession de segments en échelon de moins en moins profonds en allant vers le Nord et présente une intense activité volcanique. Le taux d’ouverture serait de 3 ou de 5-6 cm par an. Le système d’accrétion se propage vers le Sud dans une croûte plus ancienne bordant la plate-forme Fidjienne.

Aspects pétrologiques et géochimiques

Les études précédentes ont permis de montrer que les basaltes émis le long des axes d’accrétion dans le bassin Nord-Fidjien sont principalement de trois types (Eissen et al., 1994) : des basaltes appauvris en éléments incompatibles de type MORB-N, caractéristiques des dorsales océaniques et témoignant de la maturité du système d’accrétion du bassin arrière-arc, des basaltes légèrement enrichis présentant une anomalie négative en Niobium, marquant l’influence de la contamination par les matériaux crustaux subductés d'origine continentale (Lagabrielle et al., 1994) et des basaltes variablement enrichis en éléments incompatibles, transitionnels entre les MORB-E et les OIB dans la partie nord du bassin (Price et al., 1990; Lagabrielle et al., 1997, Guivel et al, 1997). La situation privilégiée de la dorsale de Futuna a permis d’aborder plusieurs situations géodynamiques sur un seul système. Le fait de disposer

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d’un échantillonnage serré d’une structure d’accrétion complète fournit un cadre idéal pour caractériser d’une part la signature géochimique générale de cette zone et d’autre part pour regarder en détail les évolutions de compositions des laves, en liaison avec le contexte tectonique.

Une étude pétrologique et géochimique des échantillons collectés nous a permis de comparer la dorsale de Futuna avec d’autres structures d’accrétion connues dans le bassin Nord-Fidjien, et ainsi de mieux comprendre la répartition des différentes tendances géochimiques dans cette région. En effet, les influences pouvant être multiples (point chaud, manteau supérieur enrichi, mélange de plusieurs réservoirs mantelliques en profondeur, interactions avec la lithosphère, …), les conséquences sur les mécanismes d’ouverture de l’axe d’accrétion peuvent différer. Les premiers résultats montrent une grande hétérogénéité des compositions chimiques des laves, hétérogénéité s'exprimant à l'échelle du segment et même de la drague. Les laves sont globalement enrichies, certaines étant anormalement alcalines (type hawaiite). Les données isotopiques préliminaires semblent suggérer la présence d'un composant mantellique de type "DUPAL" dans la source des laves.

Il est dès lors nécessaire de s’intéresser aux variations des compositions géochimiques des échantillons en fonction de l’évolution morphologique de la dorsale du Nord vers le Sud. L'influence d'un composant mantellique enrichi s'exprimant plus au nord de la dorsale, la grande hétérogénéité des produits volcaniques suggère un contrôle tectonique fort sur la genèse de la lithosphère. Il apparaît que la production volcanique va en diminuant pour même disparaître au cœur du propagateur sud. Le contraste est très important puisqu’au nord la bathymétrie indique des monts sous-marins culminants à –400m alors qu’au sud la profondeur du plancher océanique peut atteindre –2100m. Ceci implique une évolution des conditions thermiques régnant sous l’axe de la dorsale. Les taux de fusion ainsi que les volumes de matériel source impliqué dans la genèse de la croûte océanique entre les latitudes S13°30 et S16° vont présenter des grandes variations. Il nous paraît intéressant de tester, à l’aide de nos échantillons, si la zone décrochante majeure au nord est le reflet d’une barrière géochimique en profondeur. Il a déjà été suggéré que les caractéristiques géochimiques des laves dans le bassin Nord-Fidjien résultaient d’un mélange profond entre différent réservoirs mantelliques. Ce mélange est-il homogène dans tout le bassin ? Quelle influence le grand décrochement plaque Pacifique – bassin Nord-Fidjien a-t-elle sur les compositions géochimiques des laves ? La situation unique de la dorsale de Futuna fourni un contexte idéal pour étudier les facteurs qui gouvernent les processus de mélange profond car elle s’étend sur près de 200 km et est globalement perpendiculaire à la direction du décrochement majeur.

Interactions lithosphère-asthénosphère

Les travaux sur ce thème se sont concentrés d’une part sur le contrôle de la lithosphère dans la mise en place du volcanisme et d’autre part sur l'identification et l'interprétation des signatures géochimiques et pétrologiques des laves en contexte intraplaque océanique. Ils nous amènent à penser qu'elles reflètent souvent autant les caractéristiques de la lithosphère océanique traversée que l'hétérogénéité du panache.

La ligne chaude Australes-FondationLa chaîne de la Fondation a été formée par l’action d’un point chaud actif sous la plaque

Pacifique depuis au moins 20 Ma. Deux zones de cet alignement volcanique ont été étudiées en détail. La première, située à l’extrême ouest de la chaîne de la Fondation, comprend des édifices âgés entre 20 et 13 Ma ; la deuxième, à l’extrémité est de la chaîne, comprend des édifices plus jeunes que 5 Ma et correspond à la zone d’interaction entre le point chaud et la dorsale (Maia et al., 2001). La distribution spatiale du volcanisme dans ces deux zones met en

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évidence le rôle majeur joué par les zones de faiblesse lithosphérique dans la mise en place des structures volcaniques.

La partie la plus ancienne de la chaîne présente un dédoublement des structures volcaniques en deux lignes sub-parallèles. La distribution spatiale des variations de la composition chimique des laves des volcans suggère un mélange entre deux sources, le panache et le manteau lithosphérique, lors de l’arrivée en surface du panache de la Fondation (Maia et al., 2001). Elle traduit une influence grandissante du panache dans la composition chimique des laves. Entre les lignes nord et sud une différence dans la composition chimique existe également, avec les édifices les plus enrichis situés au sud. Ceci résulte probablement de la localisation de la ligne sud qui se serait formée à moindre distance du centre du panache (Maia et al., 2001).

La distribution spatiale des édifices est contrôlée par des zones de faiblesse lithosphériques préexistantes. Les reliefs présents dans cette partie de la chaîne ont été probablement formés lors de deux événements différents. Lors de la réorganisation cinématique de 23.4 Ma, un premier épisode volcanique, contemporain de la déformation de la plaque et du développement de fracturations d’orientations diverses, a formé la majeure partie de la ride de Del Cano. Cette ride correspond probablement à une discontinuité axiale à faible décalage ayant subi une transtension, donc à la fois cisaillement et extension, lors de la réorganisation cinématique, comme le suggère sa morphologie. Une deuxième phase magmatique est liée au début de l’activité du point chaud de la Fondation. L’âge des volcans, inférieur à 20 Ma, montre que le volcanisme du point chaud est postérieur à la réorganisation cinématique. Les directions structurales, visibles dans la morphologie des volcans, montrent que la mise en place des édifices a été guidée par des directions structurales préexistantes, probablement résultantes de l’extension subie par la plaque lors de la réorganisation cinématique. Le volcanisme a utilisé ces zones de faiblesse comme des conduits préférentiels pour la mise en place des magmas à la surface (Maia et al., 2001).

La partie la plus récente de la chaîne de la Fondation se divise en deux alignements volcaniques sub-parallèles, nommés systèmes Nord et Sud, formés par des volcans groupés en rides. La morphologie des édifices varie, avec les édifices les plus hauts et individualisés situés à l’ouest et les plus petits, formant des rides à morphologie lisse, situés à l’est près de l’axe de la dorsale. Les valeurs d’épaisseur élastique équivalente associées aux volcans de l’ouest sont plus élevées (3 à 5 km) que celles associées aux volcans de l’est (0 à 2 km), traduisant la réduction de la rigidité, donc, de l’âge de la plaque au moment de la formation des édifices (Maia et Arkani-Hamed, 2002). Cette réduction de l’âge de mise en place est compatible avec le rapprochement progressif entre la dorsale Pacifique-Antarctique et le point chaud de la Fondation. Les variations dans la morphologie volcanique semblent donc être liées, au moins en partie, à la rigidité de la lithosphère. Cependant, une réduction dans le volume cumulé des édifices volcaniques à partir d’un âge de mise en place de 2 Ma a été observée. Cette réduction du volume de magma émis hors axe concorde à la fois avec la réduction dans les valeurs de l’épaisseur élastique et avec le changement dans la morphologie volcanique, de cônes élevés à des volcans en forme de dômes aplatis. Elle peut traduire la capture par la dorsale du matériel produit par le panache.

Des modèles magnétiques ont permis de montrer que les systèmes Nord et Sud ont été formés quasi simultanément (Maia et al., manuscrit en préparation). La distance entre ces deux systèmes volcaniques se réduit progressivement de 100 km à l’ouest à 50 km au voisinage de l’axe de la dorsale. Cette réduction de la distance entre les deux systèmes s’accorde avec la diminution de la rigidité flexurale de la plaque au moment de la formation des édifices. Le système Nord, présentant un volume volcanique égal à deux ou trois fois celui

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du système Sud, serait le lieu principal de l’activité du point chaud (Maia et al., 2001). Une anomalie positive du géoïde située au voisinage de l’axe de la dorsale au niveau des structures volcaniques du système Nord pourrait marquer la localisation actuelle du point chaud. Le système Sud serait donc une construction volcanique secondaire, formée en partie à l’aplomb de l’arc flexural lié à la mise en place du système Nord. La morphologie des volcans très allongés du système Sud, suggère un volcanisme fissural et diffère de celle de la majeure partie des volcans du système Nord (Maia et Arkani-Hamed, 2002).

Polynésie FrançaiseLe vaste domaine océanique polynésien est une cible privilégiée pour l’étude des

interactions asthénosphère – lithosphère océanique. Une particularité de cette zone est l’épaississement crustal observé sous certains des archipels linéaires, qui peut souvent être attribué à l’édification de ces derniers sur un plateau océanique antérieur : ainsi, les îles volcaniques plio-quaternaires des Marquises reposeraient sur un plateau océanique né il y a 40 Ma à l’axe de la dorsale Pacifique (Gutscher et al., 1999). Ces circonstances sont évidemment favorables à l’étude des interactions entre les magmas issus des panaches et la lithosphère océanique.

L’équipe de l’UMR 6538 travaille sur ces problèmes depuis une douzaine d’années. Les travaux pétrologiques et géochimiques que nous effectuons sont couplés avec un programme de cartographie au 1/25000ème des îles de la Polynésie française, financé par le BRGM (Carte Géologique de la France. Les cartes géologiques de quatre îles ont été récemment publiées : Rurutu et Tubuai aux Australes (Maury et al., 2000a), Moorea (Maury et al., 2000b) et Huahine (Maury et al., 2001) dans l’archipel de la Société. Les levers de plusieurs autres îles de cet alignement (Raiatea, Tahaa, Bora Bora, Maupiti) sont terminés, et l’équipe s’est consacrée depuis 2001 aux levers et à l’échantillonnage des îles septentrionales des Marquises (Ua Huka, Ua Pou, Nuku Hiva)

Les travaux sur le terrain depuis 4 ans pour l’étude des îles de la Société et des Marquises nous ont permis de réunir un échantillonnage très important : plus de 1000 roches magmatiques, dont la plupart ont été analysées pour les éléments majeurs et en traces par ICP-AES (J. Cotten) et environ 200 datées par la méthode K-Ar sur mésostase (H. Guillou). Des études globales sur l’archipel de la Société sont en cours, en particulier l’évolution magmatologique des roches grenues intrusives dans les caldeiras (thèse de J.-Ph. Clément) et celle des variations de la composition des sources des magmas basaltiques au cours du temps (Guillou et al., 1998 ; Chauvel et al., en préparation). Au niveau des îles du groupe nord des Marquises, nous sommes en phase d’acquisition de données isotopiques Sr, Nd, Pb et de données ICP-MS (thèse de C. Legendre).

Des travaux comparatifs entre des îles appartenant à différents archipels ont également été réalisés, comme par exemple celui qui a donné lieu à l’article de Clément et al. (sous presse au J. Volcanol. Geotherm. Res.), dans lequel les brèches autoclastiques de Tahiti (Société) et de Ua Huka (Marquises) sont interprétées en tant que produits d’avalanches de débris en relation avec des structures d’effondrement en forme de fer à cheval.

Du point de vue magmatologique, notre thématique principale demeure l’interprétation des hétérogénéités géochimiques des sources des magmas, intervenues au cours du temps et/ou de l’évolution des laves basaltiques vers les laves intermédiaires puis différenciées. Dans le cas d’Eiao (Marquises), M. Caroff et al. (1999) ont montré que les particularités minéralogiques et géochimiques des magmas intermédiaires traduisent leur interaction avec des matériaux enrichis en éléments incompatibles probablement localisés dans la croûte du plateau océanique sous-jacent ; l’évolution de ces interactions au cours du temps est dépendante de la profondeur et de la structure des réservoirs magmatiques successifs, dont l’encaissant est riche

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en eau (croûte ou manteau supérieur altérés). Les travaux en cours sur les îles où l’on observe des laves évoluées semblent conduire à des conclusions comparables . Nous pensons que ces études permettront de remettre en cause les modèles géochimiques actuellement admis de panaches, dans lesquels la diversité des sources des laves est généralement attribuée à l’hétérogénéité des matériaux asthénosphériques ascendants.

Enfin, les études initiées en Polynésie française et complétées par des travaux sur d’autres sites ont permis de proposer deux nouvelles classifications de matériaux volcaniques jusqu’à présent peu étudiés ou mal connus : une classification des structures de ségrégation résultant d’un mécanisme tardif de différenciation induite par la vapeur (Caroff et al., 2000, Bull. Volcanol. 62 : 171-187) et une classification texturales des roches non cumulatives à texture grossière, intégrant les pegmatitoïdes (Clément et al., soumis à Contrib. Mineral. Petrol. en juillet 2002).

L'île de Moorea a fait l'objet d'une étude spécifique car elle était une exception isotopique inexpliquée dans l'archipel de la Société. Si elle ne diffère pas des autres îles de l'archipel du point de vue de la chimie en majeurs et traces de ses laves, ses compositions isotopiques de Sr et Nd présentent la particularité de ne pas être contenues dans l'espace défini par les autres îles. Les îles de la Société se distribuent dans la plupart des diagrammes isotopiques le long de "trends" apparemment binaires traduisant l'influence de deux composants dans leur composition. Moorea ne suit pas la même logique car certaines de ses laves moyennement différenciées tombent sous le "trend" des autres îles. L'étude d'une quinzaine de laves de cette île choisies dans les trois séries volcaniques constituant l'île a permis de proposer une explication à cette particularité. Il apparaît que les compositions isotopiques des laves de Moorea sont générées par un mélange à trois composants. Deux d'entre eux sont ceux présents dans les autres îles de l'archipel et le troisième est une de ceux identifié dans l'archipel plus au sud des îles Australes dans l'île de Rapa. Ceci conforte l'idée que les points chauds de Polynésie sont liés à la forte anomalie thermique présente à leur aplomb dans le manteau et qui se traduit par une anomalie bathymétrique, gravimétrique et sismique. Cette anomalie traduit une remontée massive de matériel chaud hétérogène du manteau profond qui contient les composants identifiés dans les points chauds polynésiens. Moorea est l'illustration du fait que du matériel de manteau produisant le magmatisme de Rapa peut aussi être entraîné épisodiquement vers Moorea de l'archipel voisin (Hémond, Cardon et Maury, en prep.).

Structure crustale du plateau des Tuamotu et de TahitiEn Polynésie Française, les îles jeunes(< 5 Ma) sont la manifestation d'un volcanisme

intraplaque tandis que le Plateau des Tuamotu(> 50 Ma) a été crée dans la région axiale d'une dorsale. La structure crustale de ces deux archipels a été déterminée en analysant un profil de sismique réfraction long de 300 km (campagne MidPlate II du F/S SONNE).Les phases sismiques de la croûte et du toit du manteau supérieur enregistrées par 6 OBHs et 3 stations sismiques installées dans les îles ont permis de proposer un modèle 2D de croûte. Le Plateau des Tuamotu a une croûte épaisse de 21 km, en bon accord avec les anomalies de pesanteur à l'air libre et en désaccord avec Talandier et Okal(1987) qui situent le Moho à 31 km. Sous Tahiti et jusqu'à 100-130 km au Nord la croûte est épaisse de 15 km. Les données sismiques et gravimétriques montrent que le Plateau des Tuamotu est en équilibre isostatique local tandis que Tahiti est en équilibre isostatique régional. Cette différence de mode de compensation est en bon accord avec la différence d'épaisseur de la lithosphère au moment de l'emplacement de la surcharge volcanique.

Le point chaud de Ste Hélène, Atlantique sudLa découverte lors de la campagne océanographique SO 84 sur le N/O Sonne, de

seamounts plus jeunes que l'île de Ste Hélène, même si aujourd'hui éteints, nous a permis de

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caractériser la chimie du composant du manteau HIMU grâce à des prélèvements de verres volcaniques frais. Ce type de matériel n'existe en effet sur aucun des volcans émergés ayant cette composition car l'altération a perturbé la chimie des roches. Les compositions isotopiques obtenues sur les verres frais ont permis de confirmer que la source à l'origine de ces magmas est bien de type HIMU. Elles sont comparables aux valeurs mesurées sur les laves de l'île de Ste Hélène et montrent que ces seamounts se sont construits à partir de la même source de magma. Nous avons utilisés les concentrations en éléments en traces pour calculer des rapports d'éléments qui sont connus pour être incompatibles ou bien solubles ou insolubles dans les fluides hydratés. Ces rapports permettent alors de vérifier le modèle selon lequel les laves aux caractéristiques isotopiques HIMU sont produites par la fusion partielle d'une vieille croûte océanique qui a été recyclée dans le manteau il y a plus de 1,5 milliards d'années. La composition de cette vieille croûte et les fractionnements qui se produisent lors de la subduction doivent avoir laissé des traces visibles dans la partie basaltique ou gabbroïque de la croûte recyclée sous forme d'éclogite. Les rapports élevés de Nb/U et Nb/La sont compatibles avec une source qui a perdu de l'U et du La par rapport au Nb, processus qui est reconnu lors de la subduction. Le Ce/Pb est aussi plus élevé que la valeur du manteau et trace le même type de fractionnement puisque le Pb part préférentiellement dans l'arc par rapport au Ce. Ces résultats permettent ainsi du point de vue élémentaire de valider le modèle de recyclage de la croûte océanique dans le manteau et son rôle de source du volcanisme intraplaque. Une modélisation de la fusion de croûte océanique recyclée sous forme d'éclogite grâce au spectre des éléments en traces est en cours de rédaction (C.W. Devey et Ch. Hémond, Eclogite melting in the HIMU source: Evidence from the submarine St Helena hotspot).

Conclusions

Pour résumer, les recherches effectuées depuis trois ans au sein de l'UMR ont mené à des résultats importants sur les processus d'interactions entre lithosphère et asthénosphère. Ils permettent de mieux comprendre les rôles respectifs de ces deux réservoirs dans l'expression de surface des processus profonds. Parmi ces résultats, qui n'ont pu être obtenus qu'en utilisant les compétences réunies dans l'UMR dans des spécialités variées, on peut citer : L'évaluation de la limite nord de l'influence du point chaud des Açores sur la dorsale

médio-atlantique par la géochimie isotopique et la définition de la chronologie des épisodes d'activité importante du point chaud par les reconstructions cinématiques sur le plateau du même nom.

L'aspect chaotique de l'interaction entre le point chaud de la Fondation et la dorsale Pacifique Antarctique vu dans l'hétérogénéité des magmas émis par les structures volcaniques hors axe.

L'existence d'un contrôle tectonique sur la genèse de la lithosphère dans le bassin nord fidjien qui permet la mise en place de magmas issus d'un manteau enrichi de type DUPAL en contexte arrière arc.

La poursuite du développement de modèles magmatologiques élaborés à partir de l'étude des édifices volcaniques de la Polynésie Française pour évaluer les rôles respectifs des hétérogénéités de source, de la fusion partielle et de l'assimilation lithosphérique.

La modélisation de la composition chimique du composant HIMU du manteau comme fragment de croûte océanique recyclée dans le manteau en faciès éclogite.

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Recyclage de la lithosphère océanique dans les zones de convergencePersonnel impliqué :H. Bellon, M. Benoit, J. Cotten, A Coutelle, M.-A. Gutscher, C. Hémond, Y.

Lagabrielle, R. Maury, A. Piqué, J.-P. Réhault.

La thématique de recherche de l'équipe est le devenir de la lithosphère océanique en subduction, et notamment de la lithosphère océanique jeune (et donc chaude). Nous cherchons à modéliser les régimes thermiques qui affectent cette lithosphère, et à en déterminer les conséquences tectoniques (pendage de la subduction, largeur de la zone sismogène) et magmatiques (genèse de magmas adakitiques par fusion de la croûte océanique plongeante et métasomatose du manteau par ces liquides).

Structure thermique des zones de subduction

Dans les années 2000-2002 un nouveau thème de recherche sur la subduction a été abordé dans l'UMR 6538: la modélisation de la structure thermique du slab et de l'avant-arc. La structure thermique est importante pour deux raisons. Premièrement, la distribution des températures le long de l'interface interplaque contrôle la largeur de la zone "verrouillée" (sismogène) qui génère les grands séismes de chevauchement. Deuxièmement, la température de la lithosphère océanique et du coin mantellique contrôlent les processus de déshydratation du slab et de fusion partielle dans le manteau métasomatisé. En particulier l'effet d'un style de subduction atypique, la subduction plate a été étudié .

En raison de sa géométrie, une subduction plate possède un domaine avant-arc plus étendu et ainsi une interface interplaque plus froid qu'une subduction normale (Gutscher et al., 2000a). Afin de quantifier l'impact de cet effet thermique sur la sismogénèse, une collaboration a été établie avec Simon Peacock (Arizona State University). Lors d’une première mission de trois semaines en Arizona (Nov. 2000), des modélisations numériques de la structure thermique ont été réalisées avec des géométries complexe (subduction plate). Les chantiers d'étude choisis sont les Cascades, le sud-ouest du Japon et l'Alaska. Les modélisations ont démontré que la largeur de la zone sismogène (entre les isothermes de 150 et 350°C) d'environ 150 - 250 km pour des zones de subduction plate se réduit à 100 - 150 km pour un pendage normale (pour une lithosphère océanique d'à peu près le même âge). Ces résultats sont en cours de publication (Gutscher and Peacock, sous-presse).

Pendant la transition entre une subduction à pendage normal (≥30°) et pendage plat, un état transitoire thermique se produira, permettant la fusion partielle directe de la croûte océanique et ainsi la genèse de magmas de types "adakitique" (Gutscher et al., 2000b). Afin de mieux contraindre cette évolution thermique, des modélisations numériques de type transitoire ont été effectuées lors d'une deuxième mission de deux semaines en Arizona (Nov. 2001).

Magmatisme des zones de subduction « chaudes »

La thématique principale des recherches sur le magmatisme est l’étude du recyclage de la lithosphère océanique dans les zones de subduction à régime thermique élevé : subduction de dorsales actives (exemple quaternaire de la péninsule deTaitao au Chili, exemple fossile de la péninsule de Basse Californie au Miocène supérieur ; subduction de lithosphère océanique jeune (Philippines, Equateur), éventuellement couplée avec des ruptures dans la plaque plongeante aboutissant à l’ouverture de fenêtres asthénosphériques.

Ces phénomènes aboutissent à la fusion de la croûte plongeante, générant des magmas acides, andésitiques, dacitiques ou rhyolitiques, caractérisés par des teneurs très faibles en yttrium et terres rares lourdes résultant de la présence de grenat résiduel dans leur source : ce sont les magmas adakitiques, de relativement faible température mais très riches en eau, qui

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ont deux devenirs : mise en place en surface ou au sein de la croûte, ou encore consommation lors de réactions métasomatiques avec les péridotites mantelliques. L’étude de ces phénomènes a des incidences importantes sur les modalités des transferts de matière lors du recyclage de la lithosphère océanique, et donc sur les bilans géochimiques globaux. Par ailleurs, les zones de subduction « chaude » actuelles constituent des analogues des subductions archéennes, et sont donc susceptibles de fournir des informations sur l’évolution de la croûte continentale.

Les travaux effectués de 1998 à 2001 ont concerné quatre directions de recherche principales, et complémentaires.1) L’étude expérimentale des conditions de la fusion des basaltes océaniques, de la genèse

des magmas adakitiques et de leur réaction avec le manteau a fait l’objet de la thèse de G. Prouteau (1999) et d’articles (Prouteau et al., 1999, 2001) rédigés en collaboration avec les pétrologistes expérimentaux d’Orléans (B. Scaillet, M. Pichavant). Le résultat majeur est que la fusion des basaltes subduits à des températures « raisonnables » (700–900°C) nécessite de grandes quantités d’eau, très vraisemblablement fournies par la déshydratation des serpentinites du manteau sub-océanique et des zones de fracture.

2) L’étude de deux cas remarquables de subduction de dorsale océanique a été poursuivie. L’exemple exceptionnel de la subduction de la dorsale active du Chili sous la péninsule de Taitao en Patagonie a fait l’objet de la thèse de C. Guivel (1999) et des articles qui l’ont suivie (Guivel et al., 1999 ; Lagabrielle et al., 2000 ; Corgne et al., 2001). La conclusion principale est que l’effet « fer à repasser » dû aux passages successifs en subduction de segments de dorsale conduit à la fusion partielle de la croûte océanique à de faibles profondeurs (moins de 20 km), dans les conditions du début du faciès amphibolite. L’exemple fossile de la Baja California, étudié dans la thèse de A. Aguillon-Robles (2002) et l’article Aguillon-Robles et al., (2001) met en évidence l’importance de la métasomatose mantellique due aux magmas adakitiques dérivant de la fusion des lèvres de la fenêtre asthénosphérique.

3) La subduction de lithosphère océanique jeune (moins de 25 Ma) et chaude demeure l’un des thèmes principaux du groupe. Les Philippines en constituent le meilleur exemple, car la subduction de la mer de Chine méridionale sous l’arc de Luzon, dont la partie nord a un substratum océanique, se traduit par un abondant magmatisme adakitique (Bellon et al., 2000 ; Bellon et Yumul, 2001) et permet la quantification de la métasomatose et du recyclage (Maury et al., 1998 ; Metrich et al., 1999). J. Cotten a contribué à des travaux du même type sur les adakites d’Equateur (Monzier et al., 1999; Beate et al., 2001; Bourdon et al., 2002) en compagnie de chercheurs de l’IRD et de Clermont-Ferrand.

Magmatisme post-collisionnel

Ce thème, moins développé que le précédent, s’y rattache pro parte dans la mesure où l’hypothèse de travail du groupe est que la collision aboutit à l’ouverture de fenêtres asthénosphériques, qui provoque une augmentation du flux de chaleur susceptible de remobiliser les sources mantelliques et crustales héritées de la subduction antérieure. Nous avons testé ce modèle sur l’exemple de la chaîne magmatique néogène de la marge méditerranéenne du Maghreb (Piqué et al.,1998 ; El Azzouzi et al., 1999 ; Maury et al., 2000). La genèse d’adakites par fusion partielle de croûte océanique en contexte post-collisionnel a été démontrée à Mindanao, Philippines (Sajona et al., 2000) et à Bornéo (Prouteau et al., 2001), et l’anatexie de croûte continentale à Sulawesi, Indonésie (Polvé et al., 2001).

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La cinématique des microplaques de l'Est Indonésien

L'objectif était clairement de réaliser une synthèse de toutes les données existantes pour définir une cinématique des microplaques de l'Est Indonésien. La réalisation de nouvelles campagnes dans ce pays a été compromise par une situation politique difficile. Néanmoins l'acquisition de données de bathymétrie multifaisceaux et 4 dragages ont pu être effectués lors de la campagne Image IV du NO Marion Dufresne. Cet objectif s'est confondu avec la thèse de Florent Hinschberger soutenue en décembre 2000.

Les résultats: Cinématique et chronologie de l'ouverture du bassin sud Banda (Hinschberger et al., 2001); Cinématique et chronologie de l'ouverture du bassin Nord Banda (Hinschberger et al.,

2000); Modèle d'ouverture du bassin de Weber: la marge active conditionnée par la subduction

oblique est dilacérée par le recul du slab australien (article à soumettre à nouveau); Synthèse bathymétrique et morphologique de l'est indonésien (Hinschberger et al.,

soumis); Synthèse cinématique (Thèse F. Hinschberger; article en préparation).

En conclusion cette étude qui fait une mise au point importante sur l'évolution de l'est indonésien depuis 15 Ma souligna aussi la complexité et la rapidité des phénomènes géodynamiques dans une zone de subduction collision. Elle fait apparaître les différences entre les grands bassins arrière arc de type pacifique et ceux comme la mer de Banda qui ont une existence éphémère dans les zones de subduction collision. Cette comparaison nécessiterait encore des travaux. Ces résultats servent de modèle actualiste pour des domaines où la collision est plus avancée comme la Méditerranée.

Limites stables des domaines océaniques: de l'ouverture aux bassins

Personnel impliqué: H. Bellon, J. Deverchère, L. Droz, M.-A. Gutscher, D. Hureau, Y. Lagabrielle, B. Le Gall, P. Le Roy, J. Malod, J. Perrot, M. Rabineau, J.-P. Réhault, J.-J. Tiercelin, P. Tarits

Doctorants: H. Gillet, B. Flamand, P. Huntsman-Mapila, M. Moulin, P. Thuya (doctorant kenyan), W. Vétel

Collaborations: Univ. Bretagne Sud, Univ. Bordeaux I, Univ. JF Grenoble, Univ. Lille, Univ. Perpignan, Univ. Rennes, Géosciences Azur, Géosciences Rennes, BRGM, CEREGE, DRO/GM IFREMER, IFP, IRD, Total-Fina-Elf

Les marges passives

La riftogénèse et la naissance des marges: Le chantier Maroc

Ce thème de recherche est très vaste et l'objet de multiples études par la communauté internationale. Pour avancer, il était nécessaire de viser l'acquisition de données susceptibles d'apporter des informations nouvelles et décisives. L'essentiel de notre activité a donc été consacré à la mise en route d'un chantier sur la marge atlantique du Maroc (projet SISMAR). Le choix de cette marge vient de son ancienneté et du déficit de connaissance que l'on en a par comparaison avec la marge homologue de Nouvelle-Écosse.

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Pour mieux assurer cette préparation nous avons participé aux opérations de sismique multitrace et OBS du programme de l'Ifremer Zaïango (L. Géli et J.C. Sibuet). La technique employée: sismique basse fréquence avec source monobulle, complétée par l'acquisition d'enregistrement OBS, s'est avérée performante pour accéder à l'information sur les couches profondes de la croûte. La zone d'étude de Zaïango (large de l'Angola) montre cependant que l'écran formé" par d'épaisses séries salifères, souvent très déformées, restait un obstacle majeur. C'est pourquoi nous avons privilégié dans le chantier SISMAR l'étude d'une zone où la couche salifère en pied de marge est réduite: région au large d'El Jadida. Nous avons étendu la zone d'étude à la région nord où la marge africaine vient en contact avec la limite de plaque Europe/Afrique.

Résultats: La campagne SISMAR s'est parfaitement déroulée du 9/4/2001 au 5/5/2001. La sismique réflexion (3667 km) a été mise en œuvre par le NO Nadir. Les opérations OBS (OBS du département Géosciences de l'Ifremer, de l'Université de Lisbonne et de l'Institut Jaume Almera de Barcelone) ont été conduites par le navire de l'Institut hydrographique portugais Almeida Carvalho. De plus des stations terrestres ont été déployées dans l'axe des 2 principaux profils à travers la marge. Cette opération s'est déroulée grâce à la mise en place d'une large coopération avec l'Ifremer, les universités de Lisbonne (Portugal) et de Bologne (Italie), le Centre Jaume Almera de Barcelone (Espagne) et une aide essentielle des universités d'El Jadida et Marrakech au Maroc. Nous avons aussi reçu le soutien du GDR "Marges" et de la compagnie Total-Fina-Elf. La campagne SISMAR a aussi permis de relancer la coopération et les études à terre au Maroc en liaison avec l'étude de la marge.

L'exploitation des données nécessite de longs traitements et fait l'objet d'un programme de recherche pour caractériser les horizons crustaux observés et définir leur rôle lors de la formation de la marge (voir projet à 4 ans). Il faut noter que dans la partie nord, les profils sismiques ont mis en évidence l'existence d'un prisme d'accrétion lié à l'orogène bético-rifain (thème: Evolution de la lithosphère dans les zones de convergence). Ce prisme est interprété comme le résultat d'un recul du slab (M.-A. Gutscher et al., accepté à Geology).

Marges volcaniques

L’étude des marges passives de type volcanique a été entreprise dans le cadre de la thèse de Laurent Gernigon consacrée à l’évolution structurale des bassins méso-cénozoïques de la marge de Norvège (Voring). (Travail dirigé par Bernard Le Gall et financé par une bourse d’ELF-NORGE, soutenance en octobre 2002). Sur la base de données pétrolières de qualité exceptionnelle (sismique réflexion 2D et 3D calibrée par forages), complétées par des modélisations (équilibrage de coupes structurales, thermicité), cette étude a permis de préciser, d’une part, l’évolution synrift du bassin de Voring, et d’autre part, son histoire tectono-magmatique paléocène, synchrone de la mise en place du panache mantellique islandais et des premiers stades de l’accrétion océanique.

Parmi les principaux résultats obtenus, on retiendra ceux concernant (1) le calendrier structural des phases majeures du rifting (Jurassique sup., Crétacé inf. et sup.), (2) les conditions de mise en place des bassins (importance relative des processus de flexuration et de fracturation), (3) la signification structurale de réflecteurs profonds (rôle des discontinuités calédoniennes), (4) l’établissement d’une sismostratigraphie des complexes magmatiques associés au stade initial de l’accrétion, et en particulier celle des SDRS (Seaward Dipping Reflector Sequences), (5) l’évolution thermique des bassins sédimentaires depuis leur mise en place en contexte de rift jusqu’à l’initiation de la marge en contexte de point chaud. Par ailleurs, la prise en compte des données relatives à la marge conjuguée du NE Groenland permet de proposer un modèle d’évolution cinématique du bassin de Voring (du stade de

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rifting post-calédonien jusqu’à l’établissement de la marge volcanique au Paléocène) dans le contexte plus global de l’ensemble du domaine N Atlantique.

Approche méthodologique: utilisation de la magnétotellurique en domaines de marge

La magnétotellurique fond de mer, utilisée avec succès pour étudier le manteau océanique du fait de sa profondeur d'investigation (20-600 km) et sa résolution verticale des structures, était limitée jusqu'à présent à ces profondeurs du fait de l'effet d'écran de l'eau de mer empêchant la mesure du signal à des fréquences porteuses d'information à des profondeurs de quelques kilomètres ou moins. L'amélioration des capteurs magnétiques permet maintenant de compenser cette limitation et de mettre en œuvre la magnétotellurique sous-marine crustale.

Dans le cadre d'un programme européen, nous avons donc développé des stations magnétotelluriques sous-marines pour étudier la structure crustale des marges, notamment en domaine volcanique où les techniques sismiques classiques sont inopérantes. Parallèlement au développement technologique, nous avons commencer la mise au point d'une nouvelle méthodologie permettant de prendre en compte dans l'inversion des données, des contraintes apportées par d'autres méthodes (sismique, gravimétrie).

Les rifts continentauxLes axes de recherche menés dans le cadre du thème « Rift » à l’UMR 6538 au cours de la

période 1999/2001 intéressent plusieurs chantiers qui permettent : a) de comprendre les processus de l’extension continentale dans des contextes tectoniques variés, et b) de caractériser l’évolution au cours du temps des divers environnements tectono-sédimentaires. Ces chantiers sont  : 1) le Rift Turkana, à l’extrémité septentrionale du Rift du Kenya (branche Est du Rift Est-

Africain), caractéristique d’un rift intra-continental récent et actif, de type magmatique et à évolution polyphasée;

2) l’extrémité Sud du Rift du Kenya et sa divergence à l’approche du craton tanzanien; 3) le Rift du Kilombero (NE Tanzanie) et la propagation du rifting à travers une croûte

froide; 4) le bassin rifté de Woodlark (Papouasie-Nouvelle-Guinée) à l’avant d’un propagateur

océanique;5) le rift jurassique Karoo du Botswana et son rôle dans le démantèlement du super-continent

du Gondwana.6) les rifts anciens (fini-Protérozoïques) du Maroc et d’Egypte ainsi que l’extension

continentale post-orogénique (Maroc et Iran).

Afin d’appréhender les processus de l’extension intra-continentale d’une façon plus globale, une approche pluridisciplinaire a été privilégiée sur la base des compétences et disciplines présentes dans l’UMR 6538 (H. Bellon (HB), J. Cotten (JC), L. Droz (LD), J. Dyment (JD), B. Le Gall (BLG), A. Piqué (AP), J. Rolet (JR) et J-J. Tiercelin (JJT)) ou dans des laboratoires extérieurs. Les thèmes de recherche retenus s’intègrent soit dans des programmes nationaux/internationaux, soit dans des projets propres à l’UMR 6538, et ils ont fait l’objet de travaux de recherche de DEA (x 3) et de thèses (x 5).

Les résultats obtenus ont été présentés à de nombreux congrès et symposiums ou synthétisés dans des papiers soumis ou en préparation (cf. liste des publications).

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L’extrémité Nord du Rift kenyan : La Dépression du Turkana

A l’échelle de l’ensemble du Rift kenyan (Fig. 1), la Dépression du Turkana présente une structure tout à fait originale et complexe, héritée pour l’essentiel de la superposition, depuis le Crétacé, de 3 systèmes de rifts de directions obliques les uns par rapport aux autres. Il s’agit des rifts 1) Crétacés (système N140° d’Anza), 2) Oligo-miocènes (système NS de Lokichar-Kerio) et 3) Actuel (système N10°). La plupart des travaux antérieurs se sont focalisés sur la structure des bassins oligo-miocènes, imagés par sismique pétrolière, tandis que le problème des déformations récentes/actives (Pliocène terminal-Quaternaire) n’était jusqu’à présent que peu abordé.

L’étude de l’évolution des environnements tectoniques et sédimentaires du Rift Turkana s’inscrit, depuis l’année 2000, dans le cadre du Programme ECLIPSE de l’INSU « Paléo-environnements des Hominidés mio-plio-pléistocènes en Afrique Centrale et Orientale (responsable H. Roche).

Le principal objectif de notre étude est la construction de cartes paléogéographiques illustrant l’évolution depuis l’Oligocène des divers segments du rift Est-africain, cartes devant servir de base à des modélisations climatiques conduites par F. Fluteau (IPG Paris) et G. Ramstein (CEA). Un accent tout particulier est mis sur la reconstitution des environnements tectono-sédimentaires dans la région du Turkana pour les périodes Oligo-Miocène et Plio-Pléistocène. L’étude des séries sédimentaires qui caractérisent cette région est conduite en collaboration avec J.L. Potdevin (Univ. de Lille) pour ce qui concerne les paléoenvironnements hydrologiques, et avec A. Vincens (Cerege) pour les paléovégétations.

Par ailleurs, une approche plus structurale de cette région du Turkana est conduite dans le cadre, d’une part, de la thèse de William Vétel (UBO/IUEM), et d’autre part, d’une collaboration avec la National Oil Corporation of Kenya (instaurée en 1996). Plusieurs questions sont ainsi posées dans le cadre de ce travail, à savoir : (1) la distribution spatiale des déformations récentes/actives, 2) les notions de migration latérale (ou non) de l’extension avec le temps (concentration de la déformation ou déformation diffuse), 3) l’importance de l’héritage structural (rifts antérieurs, socle) sur l’organisation du rift actif.

Les approches complémentaires mises en oeuvre pour traiter ces questions reposent sur : 1) des travaux de terrain (2 missions réalisées en 1997/98), 2) la réinterprétation de données de sismique pétrolière (AMOCO) mises à notre disposition par la National Oil Corporation of Kenya, et 3) l ’analyse d’imagerie satellitale LANDSAT. Il convient de préciser que cette dernière approche est originale au niveau du Rift Est-Africain car elle repose sur l’analyse de la fracturation, mais aussi sur celle du réseau de drainage. Cette étude, initiée par le DEA de W. Vétel (UBO) et actuellement prolongée par sa thèse, a déjà fourni des résultats parmi lesquels on retiendra :- la mise en évidence d’une zone de déformation diffuse, d’expression morphologique

complexe, dominée par des failles actives/récentes à forte composante verticale, parallèles au rift ou d’orientation transverse;

- le contrôle de ces dernières (atypiques à l’échelle du rift) par des discontinuités de socle,- la mise en évidence d’inversions positives récentes induites par des compressions locales

lors du blocage de la déformation par les structures transverses.

L’extrémité sud du rift kenyan : le secteur Magadi-Natron et la Divergence Nord Tanzanienne

(1) Concernant le secteur Magadi-Natron, il s’agissait de caractériser , d’un point de vue qualitatif et quantitatif, la fracturation récente développée le long de la vallée axiale du rift

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sud kenyan (Fig. 1), dans le but d’établir un modèle d’extension dans une zone riftée de type magmatique, fortement influencée par des structures transverses héritées.

Cette étude a fait l’objet de la thèse de Richard Gloaguen (UBO), soutenue en décembre 2000. L’étude repose sur l’utilisation conjointe d’imagerie radar et de données de télédétection optique (SPOT et Landsat) dont l’analyse permet de caractériser avec une grande précision les principaux paramètres géométriques de la fracturation (rejets horizontaux, verticaux, densité, longueurs, ...). Ces données quantifiées ont ensuite servi à proposer un modèle d’évolution cinématique des populations de failles par croissance progressive, puis connexion latérale des segments de failles initiaux; ceci aboutissant à la création de failles de transfert ou de zones d’accommodation, particulièrement bien identifiées sur les images radar par les flexurations et zones de dépocentres associées.

A une échelle plus régionale, de nouveaux résultats ont également été acquis (mission de terrain en 1999 sur les rifts Pangani et Manyara en Tanzanie, R. Gloaguen, BLG., JR., E. Mbede) concernant par exemple :- la direction de l’extension actuelle au N100-110° pour cette branche, obtenue en intégrant

des données de microsismicité et de paléo-contraintes sur des volcanites récentes (méthode des dièdres droits). Ces résultats remettent en cause certains modèles antérieurs qui proposaient une extension au N140° tandis qu’aucun indice de rotation de l’extension au cours des 3 derniers millions d’années n’est documenté.

- le taux d’extension (depuis la fin du Pliocène), estimé à 4-7 % pour le Fossé du Lac Magadi et qui diminue progressivement vers le Sud à l’approche de la Divergence Nord Tanzanienne.

- la segmentation en hémigrabens pluri-kilométriques et à vergences opposées de la zone riftée Natron-Magadi par le système de failles transverses intra-socle N140° de Magadi-Lenderut.

(2) Concernant la propagation du rifting au-delà de la Divergence Nord Tanzanienne vers le S, l’analyse morphotectonique de la zone du Kilombero (par imagerie SPOT et Landsat (coll. B. Deffontaines, Univ. Paris VI), et contrôle de terrain (coll. O. Nilsen et H. Dypvik, Univ. Oslo)), complétée par l’interprétation des anomalies aéromagnétiques (coll. C. Ebinger, Royal Holloway, Londres), met en évidence une zone de déformations actives, localement associées à des structures sismogéniques, orientée au N-S, d’environ 100 km de large, et située à 2-300 km au sud de l’extrémité du rift kenyan. Le Rift du Kilombero se connecte vers le N aux deux branches occidentales de la Divergence par l’intermédiaire d’une ride transverse, de nature également sismique, que l’on interprète comme une zone de transfert active. Ces nouveaux résultats amènent à reconsidérer l’organisation générale de la partie méridionale du Rift Est-Africain en démontrant que le rifting se propage au niveau du socle tanzanien, par réactivation de structures héritées d’âge Karoo ou Protérozoïque qui définissent ainsi une zone de déformation diffuse développée en contexte de croûte froide (au-delà de l’influence du dôme (thermique) kenyan au N). Le craton tanzanien apparaît donc totalement entouré par les 2 branches E et W du Rift et celles-ci pourraient se connecter vers le S au niveau du Lac Malawi.

Rift continental à l’avant d’un propagateur océanique : le Bassin de Woodlark

L’étude du bassin de Woodlark fait suite au Leg ODP 180 (Participation BLG en juin-juillet 1998, chefs de mission : B. Taylor et P. Huchon) dont l’objectif principal était de préciser l’évolution, dans le temps et l’espace, d’une faille extensive à faible pendage, située à l’avant d’une ride océanique en cours de propagation. Il s’agit de la faille de Moresby, considérée par de nombreux auteurs comme l’une des structures de référence d’une faille de

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détachement sismiquement active.

En complément de l’étude des carottes et images FMS recueillies lors du Leg 180, la prise en compte de données de sismique réflexion a permis de définir la structure 3D du bassin situé au toit de la Faille de Moresby. L’établissement d’une sismostratigraphie fine des séries synrift (4000 m d’épaisseur) nous a par ailleurs permis de préciser l’évolution spatio-temporelle du bassin de Moresby du Miocène supérieur à l’Actuel.

Parmi les résultats qui nous paraissent les plus significatifs, on peut citer, par exemple :- la mise en place du dispositif synrift, lors de 3 épisodes de déformation successifs, marqués

par une accélération de la déformation extensive au cours de la période 1.4 Ma-Actuel, suite au jeu majeur de la Faille du Moresby qui accommode environ 6 km d’extension horizontale cumulée;

- le caractère non-cylindrique du bassin synrift de Moresby qui évolue d’E en W, parallèlement à son axe, depuis un graben (à proximité du propagateur) à un hémi-graben.

- une telle asymétrie axiale suggère un mécanisme d’étirement et d’accrétion crustale par l’intermédiaire de «cellules de déformation initiale», isolées les unes des autres, et à partir desquelles la déformation se propage latéralement;

- la mise en évidence de compression active, oblique, au sein des séries synrift situées à l’avant de la ride océanique de Woodlark, et que l’on attribue à l’effet frontal du propagateur.

Rift Karoo du Botswana

Les bassins et le magmatisme d’âge Karoo (Permo-Trias-Jurassique) de l’Afrique Australe et de l’Antartique (Fig. 3) se sont mis en place lors d’un processus de rifting/point chaud responsable du démantèlement de la Pangée. Le système Karoo du Botswana, presque totalement enfoui sous les sables récents du Kalahari, est exposé dans la partie NE du pays sous la forme d’un important complexe magmatique, incluant des épanchements de laves ainsi que deux systèmes de dyke géants, celui de l’Okavango au N110°E (1500 x 100 km) et l’extrémité SW du système du Limpopo (N70°E). Bien que généralement utilisés comme support des modèles de point chaud, ces complexes filoniens n’étaient paradoxalement pas bien caractérisés quant à leur âge, leur structure et leur signature pétro-géochimique. Ces lacunes justifiaient la mise en oeuvre d’un programme de recherche, débuté en 1999 dans le cadre d’une coopération franco-botswanaise, qui s’est concrétisé par 1) l’octroi d’une bourse de thèse (G. Thsoso, UBO, soutenance prévue fin 2002), financée par le MAE et 2) une collaboration scientifique UBO/univ. Gaborone.

L’étude exhaustive des deux complexes de dykes du NE Botswana (réalisée au cours de 3 missions de terrain en 1999, 2000 et 2001) a nécessité diverses approches complémentaires (géophysique, structurale, pétro-géochimique, radiométrique) menées en étroite collaboration avec d’autres laboratoires (Nice, Lyon, Cergy). Ce travail s’est notamment concrétisé par la réalisation d’une coupe structurale d’environ 80 km (55 km projetée) à travers le système géant (N110°) de l’Okavango. Parmi les nombreux résultats originaux acquis, on retiendra : L’âge de 178-180 Ma (méthode Ar39/Ar40) des deux complexes de dykes du NE Botswana

(coll. avec G. Féraud, UMR/CNRS 6526, Nice) que l’on interprète comme les systèmes d’alimentation des épanchements volcaniques couvrant une partie de l’Afrique australe. Par ailleurs, la datation de dykes protérozoïques au sein du système de l’Okavango démontre son contrôle partiel par des structures intra-socle panafricaines.

L’approche géophysique (co-tutelle de JD.), basée sur (1) la modélisation des anomalies aéromagnétiques, (2) leur corrélation avec les données enregistrées par magnétomètre et

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(3) leur calibration par les levers structuraux de terrain, apporte des précisions sur l’organisation structurale du complexe de l’Okavango (2 zones fortement injectées ont été identifiées) et elle permet aussi de discuter la signification structurale de chaque anomalie, d’une part, et de calculer la position du paléopôle, d’autre part.

Les résultats de l’analyse de l’Anisotropie de Susceptibilité Magnétique (coll. avec C. Aubourg, Univ. Cergy) démontrent des sens d’écoulement du magma relativement complexes au sein du système de l’Okavango (latéral et vertical).

L’analyse structurale a permis 1) de préciser la géométrie des 2 populations de dykes (avec notamment des épaisseurs moyennes de 20 m (N110°) et 40 m (N70°), 2) de démontrer leur contrôle par des réseaux de fractures intra-socle, 3) d’identifier les déformations synchrones de leur mise en place (joints), 4) d’estimer à 5% (2.9/56 km) l’extension horizontale cumulée due à l’injection, 5) de proposer un mode de mise en place des dykes en tension-cisaillement (N110°) ou en tension (N70°).

La synthèse de l’ensemble des résultats acquis nous permet de discuter la validité des modèles de point chaud appliqués à l’ensemble de la province Karoo.

Rifts anciens et extension post-orogénique

1. Au Maroc, l’étude du rifting Protérozoïque terminal s’est poursuivie par le biais (1) de travaux structuraux (tectonique de horsts et grabens) et métallogéniques dans la couverture fini-précambrienne et cambrienne et (2) de travaux sur les roches cristallines des "boutonnières" de l'Anti-Atlas, considérées comme des dômes gneissiques. Ces études se situent dans le cadre d’une Action Intégrée (Marrakech-El Jadida- Fès-Brest). L’étude de l’évolution post-orogénique hercynienne a été abordée par la prise en compte des marqueurs magmatiques mis en place à la transition compression hercynienne-extension triasico-liasique (Thèse de N. Rais, 2002, Univ. de Fès, Maroc).

2. Le chantier « Egypte », étudié en collaboration avec l’université du Caire, a permis d’identifier dans la région du Sinaï un rift fini-Protérozoïque, contemporain de celui qui affecte le Sud marocain, et dont le niveau d'érosion actuel permet d'observer les roches magmatiques associées. Les résultats obtenus sont présentés dans la thèse (PhD) de S. Quarani (Univ. Le Caire, 2002).

3. Les travaux réalisés en Iran, grâce à un accord de coopération entre le Geological Survey et l’UBO (+ IPG et ULP Strasbourg), concernent les complexes métamorphiques de la région de Quri, Neyriz (zone de Sanadaj-Sirjan, Iran méridional), et ils consistent (1) à décrire la colonne lithostratigraphique, (2) à dater (Ar-K) des protolites du Paléozoïque, (3) à faire l’analyse structurale de la foliation fondamentale et des antiformes post-foliaux, et (4) à discuter les implications géodynamiques. Cette étude se situe dans le cadre de la thèse de Reza Sheikholeslami.

Marges anciennes et paléo-bassins océaniquesPersonnel impliqué: R. Gourvennec, A. Le Hérissé, B. Lefebvre (Ater : 1999-2000), J. Le Menn, M.

Vidal , P. Racheboeuf (Janvier 2003)

Doctorants: A. Botquelen (bourse régionale en co-tutelle), B. Moodie ( financement Service Géologique du Botswana et Coopération internationale).

Post-doctorant : M. Vecoli (bourse Pierre et Marie Curie, CEE).

Chercheur libre : Y. Plusquellec (retraité)

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Thématique

L'équipe de Paléontologie travaille sur le programme " Océans anciens du Paléozoïque ", en étudiant l'évolution et la distribution des faunes benthiques, des microflores marines et faciès en fonction de l'évolution paléogéographique pré-varisque des marges continentales, notamment de la bordure nord-gondwanienne, de ses extensions vers l'Ouest en Amérique du Sud et vers l'Est jusqu'en Arabie Saoudite, et de leurs homologues dans les régions du nord de l'Europe (Baltica) et de l'Amérique du Nord (Laurentia). Les principaux thèmes de recherche développés dans le cadre de ce programme concernent : 1) l'étude de la biodiversité des invertébrés benthiques (Brachiopodes, Crinoïdes et

Trilobites) et des microfossiles issus du phytoplancton (acritarches et autres microalgues), depuis l'Ordovicien jusqu'au Dévonien supérieur, comprenant aussi une étude de leur adaptation/réaction aux périodes de crises, et une évaluation des stratégies de renouvellement post-crises ;

2) l'établissement de biochronologies fines, clé de voûte de toutes les applications; 3) la reconstitution des paléoenvironnements marins du Paléozoïque par une approche

couplée de l'étude des deux signaux sédimentaire et paléontologique, notamment des condensations taphonomiques (concentrations coquillières), en fonction de l'évolution de la dynamique autocyclique ou allocyclique des séries sédimentaires;

4) une mesure de l'impact des changements paléoclimatiques et paléogéographiques sur ces éléments de l'écosystème marin au Paléozoïque, qui comprend aussi une analyse des migrations;

5) une confrontation des données paléontologiques avec les reconstitutions paléogéographiques qui sont proposées pour ces périodes.

Bilan des recherches

BiodiversitéDans le contexte de la tectonique des plaques, un lien évident peut être établi entre les

changements majeurs de la biosphère et les effets combinés des variations eustatiques, des changement océaniques et climatiques. L'équipe s'est impliquée dans le Programme National de Biodiversité (PNDBE) pour analyser les fluctuations de la biodiversité pendant des périodes clés : l'Ordovicien, qui est marqué par une diversification rapide, le Silurien, généralement considéré comme une période de stabilité mais qui montre une cyclicité intéressante, et le Dévonien qui est marqué par des bioévénements majeurs. Pour l'Ordovicien, la diversité a été étudiée dans le cadre des programmes PICG 410 et CRISEVOLE. Les Trilobites montrent une chute de la biodiversité dans l'Ordovicien supérieur qui n'est pas expliquée de façon satisfaisante par la glaciation fini-ordovicienne (Lefèbvre & Vidal, 2001). La dynamique de diversification des acritarches paraît contrôlée par le jeu de nombreux paramètres incluant des changements paléogéographiques et paléoclimatiques. Ainsi, 5 étapes majeures peuvent être mises en évidence au cours de l'évolution : la transition cambro-ordovicien, l'Arénig inférieur, le Llanvirn, le Caradoc inférieur et la partie supérieure de l'Ashgill (Vecoli &Le Hérissé, 2002).

Plusieurs études sont aussi menées dans le Silurien et le Dévonien, pour évaluer de façon précise au niveau des espèces et des écosystèmes le rôle de certaines variables comme la température et la salinité sur l'évolution de la diversité, mais aussi le gradient bathymétrique et les fluctuations climatiques, contrôlées par la cyclicité orbitale à différentes échelles. Les brachiopodes spiriférides connaissent, durant le Silurien, deux pics de diversité, l'un au Llandovery supérieur, le second au Wenlock supérieur qui sera une période clé dans

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l'évolution du groupe (Gourvennec, 2000). Ce dernier pic est une conséquence probable de l'événement Valleviken (reconquête après crise) et on reconnaît un phénomène comparable chez les acritarches. D'autres exemples concernent les périodes de récupération post-crise. La restauration des assemblages d'acritarches suivant l'amélioration climatique et la transgression marine globale de l'Ordovicien supérieur et du Silurien inférieur est très progressive (Le Hérissé, 2000). Il en va de même pour les populations benthiques.

Paléogéographie Paléozoïque et relations Gondwana-EuramériqueL'identification d'unités paléogéographiques (continents, microplaques, " terranes ") et la

reconstitution de leur migration et de leur assemblage au cours des temps géologiques est complexe. Les modèles sont basés sur une combinaison plus ou moins importante de données paléomagnétiques, géodynamiques, géochimiques, biogéographiques et paléoclimatiques et sont parfois contradictoires. Dans la mesure où les changements paléogéographiques ont des implications majeures sur l'évolution des écosystèmes, les adaptations et les migrations de faunes, les données paléontologiques apportent une contribution importante pour confirmer la validité des reconstitutions proposées et préciser les modalités et le calendrier des réagencements successifs connus au cours du Paléozoïque avant l'orogénèse varisque.

Un point fort des activités de recherche de l'équipe de Paléontologie pendant ces 4 dernières années a été d'apporter de nouveaux éléments dans le débat concernant la paléogéographie du Paléozoïque inférieur et plus spécialement dans les relations entre le Nord Gondwana, la plaque Armorica et les régions du Nord de l'Europe (marge Sud de Laurussia). La méthode d'analyse repose sur la reconstitution des paléoenvironnements qui se sont succédés au cours du Paléozoïque, sur l'étude de la répartition, des affinités des faunes benthiques (brachiopodes, coraux, crinoïdes et trilobites) et des associations phytoplanctoniques (acritarches et formes associées) depuis l'Ordovicien inférieur jusqu'au Dévonien supérieur. Les objectifs étaient de préciser les relations ou positions géographiques successives entre les régions de la bordure gondwanienne stable (du Brésil à l'Arabie Saoudite, en passant par le Maroc, l'Algérie, et la Libye), les terranes périphériques ( Portugal, Baléares, Péninsule Ibérique, Sardaigne, Massif Armoricain, Bohême, Harz, Méguma), et l'Europe du Nord séparée du nord-Gondwana par l'océan Rheic qui se referme progressivement. Le programme de coopération franco-portugais, actif depuis plusieurs années, nous a donné l'occasion de préciser les positions relatives des micro-blocs portugais (p.ex. Ossa Morena, Zone Centre Ibérique, etc.) et leur connexion avec des blocs déplacés à la suite de l'orogénèse varisque (Le Menn et al., 2000). Sur la base des faunes d'invertébrés, l'histoire de la zone de Méguma (Nouvelle Ecosse) du Silurien terminal au Dévonien inférieur est désormais bien comprise et indique un océan Rhéic en voie de fermeture durant cette période dans la région considérée (Bigey et al., 2000). De même, les résultats obtenus avec les acritarches issus de populations phytoplanctoniques indiquent que la partie occidentale de l'océan Rhéic semblait déjà en voie de fermeture dès le Silurien supérieur, compte tenu du fort degré de similitude entre les assemblages Nord Gondwaniens et ceux de la Poméranie (Le Hérissé, 2001). Dans les régions plus orientales, les différences fauniques subsistent plus longtemps, ce qui suggère une fermeture non synchrone d'ouest en est (Plusquellec & Hladil, 2001), ou bien l'existence de seuils lithosphériques pouvant perturber la circulation des courants océaniques dans le Rheic. Ce sont des axes d'études pour le futur, si l'on souhaite, pour l'histoire du Rheic arriver au degré de précision obtenu par exemple dans le cadre des programmes Téthys. Ces études ont contribué pour partie au PICG 421. Elles fournissent également l'occasion de réfléchir sur les mécanismes de transfert, les distances, les vitesses d'accrétion et le " calendrier " géodynamique de la période pré-varisque.

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Changements climatiquesLes événements paléoclimatiques qui ont ponctué toute la période Paléozoïque et l'histoire

de l'océan Rhéic sont indissociables. L'intervalle Cambrien à Carbonifère a été interprété comme une période à effet de serre, seulement interrompue par deux événements majeurs : la glaciation fini-ordovicienne et la période de glaciations répétées entre la fin du Dévonien et le Permien inférieur. Les effets de ces crises continuent à être étudiés en détail. Dans le cadre du programme CRISEVOLE, l'accent a été mis particulièrement sur l'impact de la crise fini-ordovicienne au niveau des faunes et des flores (Paris, Bourahrouh et Le Hérissé, 2000 ). Pour la période glaciaire et post-glaciaire dans les régions gondwaniennes et périgondwaniennes (Bohême), on montre d'importantes variations dans l'abondance des microfossiles marins et continentaux. Ceci indique que l'apport par les icebergs ou l'extension de la glace de mer ne sont pas constants pendant cette période de déglaciation. Dans l'état actuel des connaissances, il est difficile d'établir si cette variabilité indique une cyclicité de type " événement de Heinrich ", mais dès lors le signal palynologique constitue un bon indicateur permettant de comprendre la dynamique des calottes glaciaires de l'Ordovicien supérieur (Le Hérissé et al., en prép.). D'étroites relations ont été mises en évidence entre les concentrations isotopiques en C13 et O18 et l'évolution de la diversité planctonique correspondant à une alternance de périodes sèches et humides dans le Silurien de Gotland (Le Hérissé, 2000). Les faunes benthiques apportent aussi des informations sur les " ceintures " climatiques, la grande majorité des brachiopodes restant cantonnée au domaine intertropical. Ceci a aussi des conséquences sur le contrôle paléogéographique, et autorise quelques doutes sur la position supposée (à hautes latitudes) de certains blocs renfermant des faunes d'affinités tropicales. (Gourvennec, 1999).

PaléoenvironnementsLe projet collectif sur la Formation du Faou (Dévonien inférieur de la Rade de Brest)

fournit un exemple de l'approche conjuguée entre analyse séquentielle et variations des assemblages benthiques et de microfossiles en relation avec les variations eustatiques (séquences de 3ème-4ème ordre). Les communautés à brachiopodes montrent des fluctuations qui sont parfaitement corrélées avec les variations du niveau marin, les séquences génétiques et la courbe de Fischer qui en est une représentation : les migrations des communautés (c'est-à-dire des biotopes) en fonction de l'eustatisme peuvent ainsi être mises en évidence et constituent des indicateurs fiables des variations des conditions de l'environnement (Gourvennec, 2001 ; Botquelen et al., 2001). L'étude du contrôle hydrodynamique des accumulations fossilifères sous tous ses aspects (biologie et taphonomie) fait l'objet d'une thèse en cours (A. Botquelen) dans le Paléozoïque armoricain, sarde et espagnol.

Des études ont permis de reconstituer le mode de vie des trilobites et de caractériser les associations fauniques en fonction des paléoenvironnements sur la marge nord-gondwanienne. Ce travail, comme précédemment sur le Dévonien se poursuit par l'approche conjuguée sédimentation et paléontologie (Vidal & Loi, 2001). La synthèse des données sur la répartition géographique des crinoïdes dans l'intervalle Silurien supérieur-Dévonien inférieur, révèle une distribution spatiale des biofaciès permettant de reconnaître un gradient plate-forme externe-domaine épicontinental protégé (Le Menn et al., 2002).

L'analyse quantitative des principaux constituants du palynofaciès dans les séries anciennes et récentes apporte des précisions complémentaires à la reconstitution des environnements de dépôt (Le Hérissé, 2002) et apporte des informations utiles pour préciser le potentiel pétroligène des séries concernées (p. ex. série Méso-Cénozoïque du Turkana).

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Recherche appliquéeLa part des activités de services (consultations pour l'industrie pétrolière et/ou les services

géologiques) se doit aussi d'être mentionnée. Elle met en évidence l'excellent niveau d'expertise de l'équipe et permet d'être confronté aux réalités économiques (recherche pétrolière, prospection de charbon et méthane, etc.). C'est aussi une source non négligeable de financement externe. On distinguera d'une part les contrats purement commerciaux et d'autre part la formation par la recherche grâce à l'encadrement de mémoires de thèse de 3ème cycle (B. Modie). Les collaborations avec différents services géologiques, impliqués dans des programmes de cartographie apportent aussi des données supplémentaires sur la biogéographie des faunes et microfaunes.

ProgrammesCrisevole (PNDBE, CNRS), " La crise fini-Ordovicienne et les modalités de la reconquête

faunique post-glaciaire dans les régions nord-gondwaniennes " (1988-2000)

PICG 410 : " The Great Ordovician Biodiversification Event " (1997-2002)

PICG 421 : " The North Gondwana mid-Paleozoic biodynamics " (1997-2002)

Coopération avec Université de Cagliari : "Relazione tra fattori allociclici e autociclici nella formazione delle cacies condensata di piattaforma silico-clastica"

Action intégrée franco-portugaise : "Le Dévonien du Portugal et du Massif Armoricain : stratigraphie haute résolution, biostratigraphie et paléogéographie. Implications pour la chaîne varisque de l'Europe du Sud-Ouest"

Coopération Internationale UBO - Botswana

CIMP/Aramco : " Palynostratigraphy of the Saudi-Arabian kingdom " (1991-2000)

Expertises et contrats industriels : Consultance en palynologie et paléontologie pour ARAMCO, BEICIP-FRANLAB, BRGM, PETROBRAS, TOTAL

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