Les réorganisations des plaques tectoniques, de l'observation sur la faille transformante d'Owen à la modélisation globale

Reorganizations of tectonic plates, from observations on the Owen transform fault to global modelling

• Auteur / Autrice : Alexandre Janin
• Direction : Nicolas Coltice
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Sciences de la Terre et de l'environnement
• Date : Inscription en doctorat le ; Soutenance le 09/12/2022
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École normale supérieure (Paris ; 1985-....). Laboratoire de géologie
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Géodynamique & Structures
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure (Paris ; 1985-....)
• Jury : Président / Présidente : Javier Escartin
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nicolas Coltice, Laëtitia Le pourhiet, Daniel Sauter, Nicolas Chamot-rooke, Fanny Garel, Corné Kreemer, Cécile Prigent
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laëtitia Le pourhiet, Daniel Sauter

Mots clés

Mots clés libres

Réorganisation de plaques

Frontières de plaques océaniques

Faille transformante océanique

Modélisation du manteau

Plate reorganization events

Oceanic Transform Fault

Ocean plate boundaries

Mantle convection modelling

Résumé

A la surface de la Terre les plaques tectoniques sont en mouvement les unes par rapport aux autres et se déforment à leur frontière. Ce lent mouvement des plaques, de l’ordre d’une dizaine de centimètre par ans, est à l’origine de la majeure partie de l’énergie radiée par les séismes. Le déplacement de deux plaques voisines peut être stable sur plusieurs dizaines de millions et brusquement changer. Lors de ces changements cinématiques, les frontières des plaques s’ajustent aux nouveaux mouvements. La cartographie du fond marin mais surtout l’analyse des anomalies magnétiques portées par les roches de la lithosphère océanique mettent en lumière ces réorganisations des plaques et de leur frontières. Cette thèse propose d’étudier les réorganisations du mouvement des plaques via deux approches complémentaires et à deux échelles différentes : l’analyse détaillée d’une frontière de plaque active observée sous l’angle de la géophysique marine et la modélisation globale où la dynamique du manteau et de la lithosphère peut être étudiée sur plusieurs centaines de millions d’année d’évolution. J’introduis tout d’abord les concepts clés liés au sujet de cette thèse et présente une synthèse générale sur les réorganisations du système d’accrétion et des failles transformantes (FT) océaniques. Ensuite, je m’intéresse plus particulièrement à la FT océanique d’Owen formant avec la ride médio-océanique de Carlsberg la frontière entre les plaques indienne et somalienne. Le traitement de nouvelles données de bathymétrie multi-faisceaux et de sismique réflexion allié à un travail de stratigraphie sismique me permet de révéler les différents régimes tectoniques de cette frontière de plaque sur les derniers 8.6 millions d’années (Ma). Je constate qu’un changement cinématique ayant eu lieu il y a 2.4 à 1.5 Ma est à l’origine de la transpression affectant l’ensemble de la FT d’Owen et responsable de la formation d’une ride médiane. Ce changement abrupt de mouvement de plaques vient mettre fin à une période antérieure de relative quiescence tectonique. L’analyse de la géométrie des dépôts sédimentaires les plus superficiels ainsi que l’étude de la sismicité régionale montrent que la transpression le long de la FT d’Owen est toujours active. Ces résultats me permettent de proposer un modèle d’évolution de cette frontière depuis sa formation, contemporaine de l’ouverture du Golfe d’Aden vers 20 Ma, jusqu’à l’actuel. Je discute la singularité de la vallée transformante d’Owen liée notamment à son état thermique et son important remplissage sédimentaire porté par l’Indus. Par la suite, je change d’échelle et après avoir présenté comment la modélisation globale du manteau permet d’étudier la tectonique des plaques, je présente une nouvelle méthode de détection et de suivi automatique des plaques émergeant à la surface ces modèles. Cette méthode de segmentation est basée sur une analyse topologique de la vitesse de surface couplée à un diagnostic cinématique. J’utilise cette méthode pour analyser le déplacement des plaques à la surface d’un modèle numérique de manteau sur plus de 260 Ma. Je montre que la cinématique des plaques ainsi modélisée oscille comme sur Terre entre des périodes de stabilité et des évènements abrupts de réorganisation. La dynamique des zones de subduction joue un rôle essentiel dans les changements cinématiques des plaques et peut conduire à un changement des mouvements de plaques à l’échelle globale. La méthode de détection et suivi des plaques développée dans cette thèse me permet d’étudier la durée d’existence des plaques tectoniques. Je montre que la distribution de durée de vie des plaques terrestres peut être modélisée avec un modèle global de manteau et suit une distribution fractale. Je constate que plus une plaque tectonique vieillie plus elle devient apte à vieillir d’avantage. La modélisation globale me permet de d’investiguer quantitativement les paramètres agissant sur cette distribution.

Tectonic plates at the surface of the Earth move relative to each other and deform at their boundaries. The motion of plates is slow on our time scale, about ten centimetres per year, but is the source of most of the energy radiated by earthquakes. The slow dance between two neighbouring plates can be stable over several tens of millions of years and then suddenly change. During these kinematic changes, the plate boundaries adjust to the new motion. The mapping of the seafloor but especially the analysis of magnetic anomalies carried by the rocks of the oceanic lithosphere highlight these reorganizations of the plates and their boundaries. The purpose of this thesis is to study the reorganization of plate motion via two complementary approaches and at two different scales: a detailed analysis of an active plate boundary observed from the marine geophysics point of view and global modelling where the dynamics of the mantle and lithosphere can be studied over several hundred million years of evolution. I first introduce key concepts related to the topic of this thesis and present a general synthesis on the reorganizations of the oceanic accretionary system and transform faults (TF). Then, I focus on the Owen TF forming with the Carlsberg mid-oceanic ridge the boundary between the Indian and Somalia plates. The processing of new multibeam bathymetry and seismic reflection data combined with a seismic stratigraphy work allows me to reveal the different tectonic regimes of this plate boundary over the last 8.6 million years (Ma). I find that a kinematic change that occurred between 2.4 to 1.5 Ma ago is responsible for the transpression affecting the entire Owen TF emphasized by the formation of an impressive median ridge. This abrupt change in motion of plates ended a previous period of relative tectonic quiescence. Analysis of the geometry of the most superficial sedimentary deposits and the study of regional seismicity show that transpression along the Owen TF is still active. These results allow me to propose a model for the evolution of this boundary from its formation, contemporary with the opening of the Gulf of Aden around 20 Ma, to the present. I discuss the singularity of the Owen transform valley linked to its peculiar thermal state and its important sedimentary filling carried by the Indus. I then change scale and after describing how global mantle modelling allows studying plate tectonics, I present a new method to automatically detect and track plates emerging at the surface of these models. This segmentation method is based on a topological analysis of the surface velocity coupled with a kinematic diagnosis. I use this method to analyse the movement of plates at the surface of a numerical mantle model over 260 Ma. I show that the kinematics of the modelled plates oscillate, as on Earth, between periods of stability and abrupt reorganization events. Subduction zones play a key role in triggering kinematic changes. The plate detection and tracking method developed in this thesis allow me to study the lifetime of tectonic plates. I show that the lifetime distribution of Earth plates can be modelled using a global mantle convection model and follows a fractal distribution. I find that the older a tectonic plate gets the more likely it is to age further. Global modelling allows me to investigate quantitatively the parameters acting on this distribution.