Évolution géodynamique du Nord-Est de la plaque Caraïbe depuis l’Eocène : un nouveau regard sur la paléogéographie régionale

Kinematic reconstruction and paleomagnetism of the Lesser and Greater Antilles since the Eocene : an alternative solution for the intraplate deformation, the magmatic activity and the paleogeography of the northeastern Caribbean plate.

• Auteur / Autrice : Leny Montheil
• Direction : Mélody Philippon, Philippe Münch
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 14/02/2023
• Etablissement(s) : Université de Montpellier (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Serge Lallemand
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuel Pubellier, Sylvie Leroy
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claudio Faccenna, Guillaume Dupont-Nivet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Petites Antilles

Éocène

Géochronologie

Paléomagnétisme

Tectonique

Mots clés libres

Déformation intraplaque

Paléomagnétisme

Géochronologie Ar-Ar

Reconstruction cinématique

Géologie structurale

Intraplate déformation

Paleomagnetism

Geochronology Ar-Ar

Kinematic reconstruction

Structural geology

Résumé

Dans les zones de subduction, les mouvements verticaux et horizontaux de la plaque supérieure induisent des changements paléogéographiques rapides influençant la migration, l’adaptation et la spéciation de la biosphère. Dans la région des Caraïbes, des études paléontologiques ont mis en évidence des migrations Cénozoïque de faunes terrestres Sud-Américaine vers les Grandes Antilles, suggérant l’existence d’une voie de passage terrestre aujourd’hui disparue. L’hypothèse la plus répandue (GAARlandia) suggère la présence d’un pont de terre à l’Eocène supérieur au niveau de la ride d’Aves. Cependant, des études récentes ont montré l’existence d’aires émergées dans le Nord des Petites à l’Eocène Antilles (GrANoLA land) et au Miocène moyen. Cette région expose également la branche éteinte de l’arc des Petites Antilles, dont la phase d’activité, bien que partiellement contrainte, correspond à la période de migration des espèces Sud-Américaines. Ces données suggèrent que les Petites Antilles pourraient représenter une voie de passage alternative, connectée au Grandes Antilles et/ou à la ride d’Aves. Toutefois, le Nord-Est Caribéen est structuré par des failles d’échelle crustale limitant des blocs tectoniques dont l’évolution cinématique reste débattue, entraînant une incertitude sur les reconstructions paléogéographiques de la région. Cette thèse a pour objectif de préciser l’évolution magmatique, stratigraphique et tectonique de la branche éteinte de l’arc des Petites Antilles ainsi que de quantifier et de reconstruire l’évolution de la déformation intraplaque du Nord-Est Caribéen, depuis l’Eocène jusqu’à l’actuel. Pour cela, j’ai d’abord contraint l’évolution géologique d’Antigua en utilisant une approche combinant la géochronologie, la biostratigraphie et la géologie structurale et précisé la période d’activité de la branche éteinte de l’arc des Petites Antilles de l’Eocène moyen à l’Oligocène supérieur. Ce résultat indique que le magmatisme a pu contribuer à la création de voies de passages dans le Nord des Petites Antilles. Je propose également que l’arrêt de l’activité magmatique soit lié à un aplanissement de la plaque plongeante suite à l’acquisition d’une forme en amphithéâtre. J’ai ensuite quantifié la déformation intraplaque du Nord-Est de la plaque Caraïbe au Cénozoïque avec une étude paléomagnétique de la Martinique, d’Antigua, de Saint-Martin, d’Anguilla, de Porto Rico et des îles Vierges Britanniques et avec une reconstruction cinématique régionale de l’Eocène à l’actuel. L’étude paléomagnétique estime des rotations antihoraires de ~ 45° des blocs de Porto Rico – Iles Vierges (PRVI) et du Nord des Petites Antilles (NoLA) depuis la fin de l’Eocène jusqu’au Miocène et une absence de rotation du bloc du Sud des Petites Antilles. Deux scénarios tectoniques sont proposés pour expliquer ces rotations : une flexure oroclinale provoqué par la courbure de la fosse de subduction ou le déplacement d’une lanière d’arc le long d’une fosse de subduction déjà courbe. La reconstruction cinématique, développée sur Gplates, permet de tester ces scénarios et indique que la majeure partie de la rotation des blocs de PRVI et de NoLA est accompagnée par ~ 600 km de mouvement de type lanière d’arc de l’Eocène au Miocène, accommodé le long des failles de Muertos et de Monserrat-Harvers par du décrochement senestre. Ces mouvements replacent le Nord des Petites Antilles à l’avant du bassin de Grenade et de Tobago, en contact avec le continent Sud-Américain, définissant le Nord des Petites Antilles comme une voie de passage potentielle pour les faunes Sud-Américaines. La reconstruction cinématique permet également de proposer que l’accrétion du banc des Bahamas et son mouvement vers l’Ouest, acquis suite à un changement cinématique régional à l’Eocène, pourrait influencer l’évolution de l’arc des Petites Antilles et être à l’origine des rotations des blocs de PRVI et de NoLA ainsi que de la déformation intraplaque de type lanière d’arc.

In subduction zones, vertical and horizontal motion of the upper plate induce rapid paleogeographic changes influencing in turn the migration, adaptation, and speciation of the biosphere. In the Caribbean region, paleontological studies have demonstrated Cenozoic (~35 Ma) migrations of South American terrestrial faunas toward the Greater Antilles, suggesting the existence of a now disappeared terrestrial pathway. The most widespread hypothesis (GAARlandia) suggests the presence of a land bridge during the late Eocene located on the Aves ridge. However, recent studies have proved the existence of mid-late Eocene and middle Miocene emerged areas in the north-east Caribbean (GrANoLA land). This region also exposes the extinct branch of the Lesser Antilles arc, whose phase of activity, although partially constrained, corresponds to the period of migration of South American species. These results suggest that the Lesser Antilles could represent an alternative pathway, connected to the Greater Antilles and/or to the Aves ridge. Nevertheless, the northeastern Caribbean plate is structured by crustal faults that bound tectonic blocks whose kinematic evolution remains debated, leading to uncertainty in paleogeographic reconstructions of the region.This thesis aims to constrain the magmatic, stratigraphic, and tectonic evolution of the extinct branch of the Lesser Antilles arc and to quantify and reconstruct the evolution of the intra-plate deformation of the northeastern Caribbean plate, from the Eocene to present-day. In that perspective, I precise the activity of the extinct branch of the Lesser Antilles arc from the middle Eocene to the upper Oligocene using a combined geochronological, biostratigraphic and fault kinematic study of the island of Antigua. My results indicates that magmatism may have contributed to land emersion froming terrestrial pathways in the Northern Lesser Antilles. I also propose that the cessation of magmatic activity is related to a flattening and progressive curvature of the downgoing plate.Then, I quantified the Cenozoic intraplate deformation of the northeastern Caribbean region with a paleomagnetic study conducted on the island of Martinique, Antigua, St. Martin, Anguilla, Puerto Rico, and the British Virgin Islands. I estimate ~45° of counterclockwise rotations of the Puerto Rico-Virgin Islands (PRVI) and Northern Lesser Antilles (NoLA) blocks from the late Eocene to the Miocene and an absence of rotation of the Southern Lesser Antilles block. Two tectonic end-member scenarios are proposed to explain these rotations: an oroclinal bending related to the curvature of the subduction trench or fore-arc sliver motion along an already curved subduction. These scenarios are tested with a regional kinematic reconstruction, developed on Gplates. The results indicates that most of the PRVI and NoLA blocks rotation are underwent with ~ 600 km of displacement by fore-arc sliver motion, accommodated by left-lateral motion along the Muertos and Monserrat-Harvers faults. These movements restore the NoLA block in front of the Grenada-Tobago basin, in contact with the South American continent. This reconstruction, the presence of an Eocene to Oligocene magmatic phase and of Eocene and Miocene regional emerged lands defines the Northern Lesser Antilles as a potential pathway for South American fauna. The kinematic reconstruction also suggests that the accretion of the Bahamas Bank and its westward motion, acquired following an Eocene regional plate motion change, could influence the evolution of the Lesser Antilles arc and trigger the PRVI and NoLA block rotations and fore-arc sliver motion.