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Thèse Année : 2005

Dynamic of intra-continental extension in magmatic rift context: Turkana Rift (Northern Kenya) from Eocene to Present

Dynamique de l'extension intra-continentale en contexte de rift magmatique : le Rift Turkana (Nord Kenya) de l'Eocène à l'Actuel

Résumé

Continental extension and rift geometry are controlled by the interaction of various parameters (thermal, mechanical, kinematical) that interplay at different spatial and temporal scales. In order to provide some new insights about the dynamics of rift segment evolution, this study focuses on the Turkana rift (Northern Kenya) which belongs to the eastern branch of the East African Rift System (EARS). This NS Cenozoïc rift portion developed since 45 Ma. and is unusual insofar as it is developed between the termination of two previous oblique cretaceous basins (N140°E Anza and Soudan). Its deep geometry is dominated by a set of syn-rift Oligocene-Miocene half-grabens, but since its present-day surface arrangement is marked by a subdued topography and it is characterised by weak seismicity, the definition of recent/active movements is not straightforward.

This work, based on interpretation of Landsat ETM+ satellite imagery correlated with digital topography (SRTM) and seismic reflection dataset, leads us to propose and discuss a tectono-magmatic reconstruction of the poly-phased evolution of the Turkana rift from five successive ‘restored' maps (45-23 Ma., 23-15 Ma., 15-6 Ma., 6-2.6 Ma., 2.6 Ma.-Actual), combined with two additional maps dealing with pre-existing structures (Precambrian basement, previous Cretaceous rift). Our model fully demonstrates the influence of: 1) two regional-scale transverse corridors (NKFZ: N'Doto-Karisia N140°E, 100x600 km; KBFZ: Kataboi-Buluk N50°E, 30x250 km) and 2) magmatic domains on the nucleation and propagation of extensional structures during different stages of rifting. Both the locations of newly-formed basins and their final geometry is directly controlled by transverse fault zones. Syn-rift basins firstly develop within the N140°E NKFZ transverse corridor while they are locked by N50°E KBFZ structures that could also act as transfer zones. Relationships between magmatic domains and extension highlight the key-role played by inner volcanic domes structures (extrado faults/fractures, syn-magmatic faults) on the propagation of basin s across the paleo-domes after the cessation of volcanic activity. At a greater scale, considering plume/lithosphere interactions associated with the migration of the African plate (~1000 km to the NE) since 50 Ma. above two Cenozoïc mantle plumes, we propose two hypotheses to explain the lack of thermal uplift along the persistent Turkana depression: 1) the lateral migration of plume head material beneath the pre-stretched cretaceous lithosphere which is characterised by associated thermal subsidence or 2) the strengthening of the lithosphere in response to the cooling of the cretaceous underplating that prevent any bending of the lithosphere at a large wavelength. [William – its is not clear to me what you mean here and how it causes the depression – I have therefore modified part of it so that it makes sense to me = change it back if this is not what you mean; I am not sure what the 2nd point means]

Concerning the recent/active deformations (<5 Ma.) of the Turkana rift, the kinematic analysis of recent inversions tectonics (<3.7 Ma.) developed within some of the Oligocene-Pliocene basins located above the NKFZ N140°E transverse fault zone, confirms the key-role played by this first-scale discontinuity on the evolution of the Turkana rift from Eocene to present. We explain the formation of these compressive structures using a three-stage kinematic model characterised by: 1) a pure extensional regime before 5 Ma. (σ3 horizontal oriented at EW, σ1 vertical), 2) a slight clockwise rotation (~20°) of σ3 axis between 5 and 3.7 Ma. that induced the dextral reactivation of the NKFZ and the formation of a N20° T-type fault network and 3) a clockwise rotation of σ3 (~20°) after 3.7 Ma. coeval to a permutation of σ1/σ2 axes that induced the reversed reactivation of N20° fault network.

In the western part of the Turkana rift, the exceptionally well-exposed recent Kino Sogo fault network (<3 Ma.; 150x40 km) comprises a series of horsts and grabens within an arcuate 40 km-wide zone that dissects Miocene-Pliocene lavas overlying an earlier asymmetric fault block and bounded by N140°E, N50°E and NS structures. Quantitative geometric analysis of the scaling properties of this fault system reveals several unusual features of the Kino Sogo fault network: 1) the system accommodates very low strains (<1%) and is probably characterised by a low rate of extension and deformation (~0.1 mm/yr and 10-16 s-1, respectively), 2) fault length distributions subscribe to a negative exponential scaling law, as opposed to the power-law scaling typical of other fault systems, 3) the long faults (length up to 40 km) are characterised by maximum throws of no more than 100 m, hence providing displacement/length ratios which are significantly below those of other fault systems. The under-displaced nature of the Kino Sogo fault system is attributed to early stage rapid fault propagation possibly arising from reactivation of earlier underlying basement structures/fabrics and/or magmatic-related fractures.
Finally, a detailed analysis of the well-defined Turkana drainage network in this EARS sector, confirms the general structural and kinematic framework of the Turkana rift segment. Three drainage anomalies are studied and highlight: 1) the rapid swing of the Turkwell River (from NS to EW) along an EW second-order faulted corridor (Turkwell-Mount Porr; 20x100 km), 2) the locking of a dense river pattern by the recent rejuvenation (<5 Ma.) of the West Napedet Oligocene-Miocene border fault plane and 3) the formation of the Kalabata circular drainage anomaly surrounding an antiformal structure associated with the recent phase of structural inversions (<3.7 Ma.).

More generally, the new insights fully discussed in this work have direct implications for the study of the processes associated with the nucleation and propagation of a magmatic rift segment under a low deformation rate and controlled by an important structural inheritance (basement, previous rifted system).
La dynamique de l'extension continentale et la géométrie des rifts qui en découlent sont régies par la combinaison de nombreux paramètres (thermiques, mécaniques, cinématiques) qui interagissent à différentes échelles, dans le temps et dans l'espace. L'exemple choisi dans cette étude, afin d'apporter des éléments de réponse à la compréhension de la mise en place des structures extensives, est celui du rift Turkana (Nord Kenya) qui appartient à la branche est du Rift Est Africain (REA). Cette portion de rift cénozoïque atypique s'est développée selon un axe NS depuis ~45 Ma. entre les terminaisons de deux bassins d'un rift antérieur oblique (bassins Anza-Soudan N140°E Crétacé). Sa structure profonde est dominée par un ensemble d'hemi-grabens syn-rifts oligo-pliocènes et sa géométrie de surface est actuellement marquée par une topographie peu contrastée et une sismicité faible qui rendent difficile l'étude des mouvements récents/actifs dans ce secteur.

Ce mémoire, basé sur l'interprétation d'imagerie satellitale Landsat ETM+, corrélée aux données topographiques (SRTM) et aux données de sismique réflexion, permet :
- A l'échelle régionale, une reconstitution tectono-magmatique de l'histoire polyphasée du rift Turkana établie sur la base de cinq cartes ‘restaurées' successives (45-23 Ma., 23-15 Ma., 15-6 Ma., 6-2.6 Ma. et 2.6 Ma.-Actuel), auxquelles ont également été intégrées les structures pré-existantes (socle précambrien, structures crétacées). Ce modèle démontre clairement l'influence de : 1) deux couloirs transverses de socle faillés d'échelle régionale (NKFZ : N'Doto-Karisia N140°E, 100x600 km ; KBFZ : Kataboi-Buluk N50°E, 30x250 km) et 2) de domaines magmatiques, sur la nucléation et la propagation des structures extensives à différents stades du rifting. Les bassins syn-rifts se développent et migrent en premier lieu à l'intérieur du couloir N140°E NKFZ à la faveur de relations angulaires entre les structures N140°E et les failles néoformées NS, ces dernières sont par la suite bloquées lors de leur interaction avec les structures N50°E KBFZ qui peuvent également agir comme des zones de transfert et aboutissent à l'élargissement de la zone riftée (200x200 km). La description des relations entre les domaines magmatiques et la déformation met en avant le rôle déterminant des structures internes des dômes volcaniques (fentes d'extrados, failles syn-magmatiques) sur la propagation des bassins à travers ces paleo-dômes après cessation de l'activité magmatique.
- A l'échelle lithosphérique, les interactions panache/lithosphère durant la migration de la plaque Afrique (~1000 km vers le NE) depuis 50 Ma. à la verticale de deux plumes cénozoïques permettent de proposer deux hypothèses sur l'absence de soulèvement thermique le long de la dépression du Turkana. Il peut s'agir, soit de la migration latérale de la tête du panache sous la lithosphère pré-étirée crétacée selon un mécanisme de ‘thin-spot', soit du ‘durcissement' de cette même lithosphère en réponse au refroidissement du matériel mantellique sous-plaqué (crétacé) qui entrave le soulèvement de l'ensemble de la zone.
- Concernant les déformations récentes/actives (<5 Ma.) du rift Turkana, l'étude du développement des inversions tectoniques positives (<3.7 Ma.), distribuées uniquement dans les bassins situés à la verticale du couloir transverse N140°E NKFZ, confirme l'importance du rôle joué par cette discontinuité de premier ordre sur l'évolution du rift Turkana depuis l'Eocène jusqu'à l'Actuel. La reconstitution de la mise en place de ces structures compressives aboutit à un modèle cinématique polyphasé comprenant les trois stades suivants : 1) un régime purement extensif avant 5 Ma. (σ3 horizontal orienté EW, σ1 vertical), 2) une rotation horaire (~20°) de l'axe σ3 entre 5 et 3.7 Ma. qui entraîne la réactivation en dextre de la NKFZ et la formation d'un réseau de fractures N20°E et 3) un stade compressif (permutation des axes σ1/σ2) accompagné de la rotation horaire de σ3 (~20°) qui induit la réactivation en inverse des failles N20°E après 3.7 Ma.
- A l'échelle plus locale, dans la partie orientale du rift Turkana, le réseau récent (<3 Ma.) de failles N170°-N10°E du Kino Sogo (150x40 km) s'organise selon une succession régulière de horsts et grabens, exceptionnellement bien exposés, qui recoupent des laves mio-pliocènes peu épaisses (~200 m) mises en place sur un horst asymétrique de socle, limité par des structures N140°E, N50°E et NS. L'étude géométrique et statistique de la population de failles du Kino Sogo révèle plusieurs particularités : 1) ce réseau accommode peu d'extension (<1%) et implique des taux d'extension et de déformation faibles (~0.1 mm/an et 10-16 s-1, respectivement), 2) l'analyse des longueurs de failles se corrèle avec une loi mathématique de type exponentielle en opposition avec celles classiquement admises de type lois de puissances, et 3) malgré des longueurs importantes (9-40 km), les failles présentent des rejets ≤ 100 m, ce qui leur confère un rapport rejet/longueur inférieur à ceux décrits sur des réseaux de failles similaires. Ce caractère mature, mais sous-déplacé des failles, est attribué à un modèle de croissance de failles dominé par la réactivation de structures pré-existantes présentes dans le socle sous-jacent (foliation/failles) ou au toit d'un paléo-dôme volcanique antérieur.
- Enfin, d'un point de vue méthodologique, l'intérêt de l'étude des réseaux de drainage en contexte morphologique peu contrasté est confirmé par une analyse détaillée de l'intense réseau de drainage développé dans le secteur occidental du Turkana. En effet, l'interprétation structurale de trois anomalies de drainage met en évidence : 1) la déviation de la rivière Turkwell (NS puis EW) le long d'un couloir transverse faillé EW intra-socle de second-ordre (Turkwell-Mont Porr ; ~20x100 km), 2) le blocage d'un réseau dense de rivières par la réactivation récente (<5 Ma.) du plan de faille bordière Ouest Napedet d'âge oligo-miocène 3) la formation d'une anomalie de type circulaire autour d'une structure antiforme initiée lors de l'inversion d'un dépocentre au pied de la faille de Kerio et associée aux inversions tectoniques positives décrites pour la période récente (<3.7 Ma) dans une partie du rift Turkana.

D'une façon générale, ce travail apporte des résultats et des modèles nouveaux ayant des implications directes sur l'étude de la nucléation et de la propagation des bassins syn-rifts et des réseaux de failles associés aux segments de rift magmatiques marqués par un héritage structural important (socle, système rifté antérieur).
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Dates et versions

tel-00009294 , version 1 (23-05-2005)

Identifiants

  • HAL Id : tel-00009294 , version 1

Citer

William Vetel. Dynamic of intra-continental extension in magmatic rift context: Turkana Rift (Northern Kenya) from Eocene to Present. Applied geology. Université de Bretagne occidentale - Brest, 2005. English. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-00009294⟩
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