Interactions entre le volcanisme et la tectonique dans l'archipel des Comores

Volcano-tectonic interactions in the Comoros archipelago

• Auteur / Autrice : Pierre Boymond
• Direction : Nathalie Feuillet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 03/04/2024
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Yann Klinger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Cécile Doubre
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Valerio Acocella, Valérie Cayol

Mots clés

Mots clés contrôlés

Simulation par ordinateur

Analyse multiéchelle

Méthode des éléments discrets

Tectonique

Comores

Activité volcanique

Mots clés libres

Comores

Canal Nord Mozambique

Mwezi

N'Droundé

Méthode des éléments discrets

Activité volcano-tectonique

Multi-échelles

Simulations numériques

Structures en échelons

Zone de transfert

Comoros archipelago

North Mozambique Channel

Mwezi

N'Droundé

Discrete element method

Volcano-tectonic activity

Multiscale

Numerical simulations

En-echelon structural pattern

Transfer zone

Résumé

L'archipel des Comores est situé dans le Canal Nord Mozambique, entre Madagascar et l'Afrique de l'Est. Il est constitué de quatre îles volcaniques ainsi que de structures volcaniques submergées. La déformation volcanique et tectonique, soulignée par la sismicité, est localisée à l'intérieur d'un couloir de 200 km de large par 700 km de long constituant une une limite de plaque immature jouant le rôle d'une zone de transfert entre le système du rift est-africain (EARS) et le rift de Madagascar. Dans cette thèse, nous avons étudié l'activité volcano-tectonique de l'archipel à travers une approche multi-échelle et multiméthode décomposée en deux parties. Tout d'abord, à partir des données de bathymétrie SISMAORE, de rétrodiffusion acoustique, de sismique réflexion 48 canaux et de sondeur de sédiments, nous avons identifié et cartographié plusieurs ensembles de structures volcano-tectoniques dans les champs volcaniques de Mwezi et de N'Drounde. Leur analyse permet de proposer une évolution spatio-temporelle des champs volcaniques, une carte détaillée des structures volcano-tectoniques ces provinces, ainsi qu'une discussion sur le contexte géodynamique local et régional. Deuxièmement, grâce à des simulations numériques, nous avons étudié l'initiation et le développement des structures au cours des stages précoces de la formation d'une limite de plaque lithosphérique. Pour ce faire, nous avons utilisé une approche de modélisation par éléments discrets pour simuler la lithosphère sous l'archipel des Comores. La lithosphère est représentée par une couche fragile de 360x360x55 km composée de 500 000 éléments discrets (DE) liés entre eux par des liaisons élastiques-fragiles reposant sur une asthénosphère fluide et inviscide. Les conditions aux limites des modèles sont choisies pour imiter les conditions géodynamiques de la région du canal Nord Mozambique. Grâce à des expériences numériques, nous sommes en mesure de distinguer quatre phases pour le développement de structures en-échelon accommodant la déformation. Ces structures sont orientées N145°E et se développent à partir de leurs centres vers le nord-ouest et le sud-est simultanément. Chaque structure en-échelon est constituée de deux familles de segments présentant deux orientations principales (N160°E et N110°E) avec des zones de relais entre certains segments. Grâce au champ de déplacement net, ainsi qu'à sa composante rotationnelle, cisaillante et divergente, nous montrons que les deux types de segments sont en transtension, avec un léger décrochement latéral gauche pour ceux orientés N160°E et droit pour ceux orientés N110°E. Ceci témoigne d'une extension tectonique globale N45°E dans la partie centrale du modèle. La comparaison entre les structures créées par les simulations numériques et celles observées le long de l'archipel des Comores met en évidence trois similitudes principales. Premièrement, la configuration générale en échelon des structures volcano-tectoniques de l'archipel ressemble à celles modélisées numériquement. Deuxièmement, les orientations N160°E et N110°E des segments modélisés correspondent à l'orientation des principales chaînes volcaniques et des champs volcaniques de l'archipel. De plus, la propagation magmatique vers le Nord-Ouest mise en évidence dans le champ volcanique de Mwezi correspond partiellement à la direction de propagation des structures modélisées. Enfin, la direction de l'extension modélisée est cohérente avec le contexte tectonique extensif N40°E mis en évidence par les structures volcano-tectoniques du champ volcanique de Mwezi. Ces similitudes entre les résultats numériques et les observations géophysiques suggèrent que les structures observées dans l'archipel des Comores sont cohérentes avec celles qui seraient observées dans une zone de transfert en milieu fragile sans localisation de la déformation.

The Comoros archipelago is located in the North Mozambique Channel between Madagascar and East Africa. It includes four volcanic islands (Grande Comore, Moheli, Anjouan and Mayotte from West to East), as well as submerged volcanic features such as the Zélée-Geyser banks, the Vailheu seamount, and the Jumelles, Domoni, Chistwani, Safari and East Mayotte volcanic chains. The volcano-tectonic activity, corroborated by the seismicity, is located inside a 200 km-wide by 700 km-long corridor that constitutes an immature boundary between two lithospheric plates, which could play the role of a transfer zone between the East African Rift System (EARS) and the rift of Madagascar. In this PhD, we investigated the volcano-tectonic activity of the archipelago through a multiscale and multimethod approach decomposed in two parts. First, based on the SISMAORE bathymetry, acoustic backscatter, processed 48-channel seismic reflection and sub-bottom profiler data, we identified and mapped several sets of volcano-tectonic structures in the Mwezi and N'Drounde volcanic fields (faults, dykes, sills, cones, lava flows...). Their analysis allows for proposing a spatio-temporal evolution of the volcanic fields, a detailed map of the volcano-tectonic structures of both Mwezi and N'Droundé volcanic provinces, as well as a discussion about the local and regional geodynamic context. Secondly, based on numerical simulations, we studied the initiation and development of structures during the early development of a lithospheric boundary accommodating the regional strain. To do so, we utilized a discrete element modeling approach to simulate the lithosphere below the Comoros archipelago. The lithosphere is represented by a 360x360x55 km brittle layer composed of 500,000 discrete elements (DEs) bonded together by elastic-brittle bonds resting on a fluid like, inviscid asthenosphere. The boundary conditions of the models are chosen to mimic the geodynamic settings of the North Mozambique Channel region. Through numerical experiments, we are able to distinguish four phases for the structural development of an en-échelon structural pattern that accommodates strains. The N145°E en-échelon structures develop from their centers toward the North-West and South-East simultaneously. Each en-échelon structure consists of two families of segments presenting two main orientations (N160°E and N110°E) with relay zones between some segments. Through the net displacement field, as well as its curl, shear and divergence, we show that both types of segments work in transtension, with a minor left-lateral strike for the ones oriented N160°E and a minor right-lateral strike for the ones oriented N110°E. This is consistent with an overall N45°E tectonic extension in the center portion of the model. The comparison between the structural features created by the numerical simulations and those observed along the Comoros archipelago highlights three main similarities. First, the general en-échelon pattern of the volcano-tectonic structures in the archipelago resembles the ones modeled numerically. Secondly, the N160°E and N110°E orientations of the modeled segments fits the orientation of the main volcanic chains and volcanic fields of the archipelago. Moreover, the Northwestward magmatic propagation evidenced in the Mwezi volcanic field partially corresponds to the direction of propagation of the modeled structures. Finally, the direction of the modeled extension is consistent with the N40°E extensive tectonic context evidenced from the volcano-tectonic structures of the Mwezi volcanic field. Those similarities between the numerical results and the geophysical observations suggest that the structures observed in the Comoros archipelago are consistent with the ones that would be observed in an immature brittle transfer zone.