Les processus d'extension continentale et d'accrétion océanique sont étudiés avec une approche cinématique et tectonique dans différents contextes géodynamiques depuis la déformation intra-plaque jusqu'à la fragmentation des continents, le rifting à l'axe des dorsales et l'ouverture des bassins arrière-arc. L'accent est mis sur le golfe d'Aden, un exemple remarquable de bassin océanique jeune qui offre l'opportunité de suivre le processus de fragmentation continentale depuis la mise en tension de la lithosphère africaine, jusqu'à son amincissement et sa déchirure, puis la mise en place d'une nouvelle dorsale. L'histoire du rifting conservée dans les marges passives qui affleurent à terre et l'histoire de l'ouverture océanique enregistrée dans les anomalies magnétiques sont reconstituées. Une synthèse des travaux cinématiques dans le golfe d'Aden est d'abord présentée. L'exploration du point triple Arabie-Inde-Somalie pendant la campagne AOC a permis de reconstruire son évolution depuis sa formation, de réévaluer la cinématique actuelle de la frontière Arabie-Inde et de calculer un modèle cinématique haute définition du mouvement Arabie-Somalie. Ces résultats montrent que l'accrétion océanique a démarré dans le golfe d'Aden oriental il y a 20 Ma et que la dorsale s'est propagée en moins de 4 Ma en direction du point chaud Afar, avec un taux de propagation extrêmement rapide de l'ordre de 35 cm an-1. La propagation "passive" résulte de la rotation rigide des plaques Arabie et Somalie autour d'un pôle d'Euler quasiment stationnaire. Le volet cinématique est complété par des travaux tectoniques réalisées à terre et en mer au niveau des marges continentales et de la plateforme arabe. Ils montrent que la lithosphère arabo-africaine était sous tension avant la localisation de l'extension dans le système de rifts Mer Rouge-golfe d'Aden lors de la mise en place du point chaud Afar à 30 Ma. Au niveau du golfe d'Aden, ces études permettent de progresser sur la segmentation et l'évolution 3D de l'architecture des marges passives en liaison avec le rifting oblique, l'asymétrie des marges conjuguées et le rôle des failles de détachement, et l'évolution des escarpements de marge contrôlée par la tectonique et le climat. Une troisième partie est consacrée à des travaux qui sortent du cadre régional du golfe d'Aden. Les relations entre cinématique et déformation sont explorées dans le cadre du rifting à l'axe des dorsales à accrétion oblique et dans celui des bassins arrière-arc à travers l'exemple du fossé d'Okinawa. Une approche analogique de l'extension distribuée en domaine continental contrôlée par l'interaction collision- subduction est aussi présentée. Enfin, l'extension ductile dans les chaînes de montagne est évoquée à travers l'exemple de la Corse alpine et des schistes lustrés alpins. Ces exemples alpins sont mis à profit pour présenter des résultats récents sur l'évolution du pli du Vélodrome au front des nappes alpines. Le dernier volet est consacré à un projet de recherche qui sera développé dans les prochaines années sur la localisation et l'évolution spatiale et temporelle des frontières de plaques en fonction des conditions aux limites cinématiques et de la rhéologie de la lithosphère, à travers l'exemple de la frontière Arabie-Inde.

La carotte MD92-1002 prélevée dans le Golfe d’Aden (12°01’32 N- 44°19’02E -1327 m de profondeur) fournit un enregistrement paléoenvironnemental et paléoclimatique unique permettant de discuter l’évolution des milieux continentaux et océaniques depuis 20 000 ans BP. J’ai effectué l'analyse des palynomorphes continentaux (grains de pollen, spores, champignons, charbons et algues d'eau douces) et marins (kystes de dinoflagellés, œufs de copépodes) et j’ai combiné ces données à des paramètres géochimiques (δ¹⁸O, analyses élémentaires par Fluorescence X) et sédimentaires (taux de sédimentation, teneurs en carbone organique). Les grains de pollen révèlent des conditions régionales hyper-arides pendant la période glaciaire caractérisée par une végétation clairsemée d’origine Saharo-Sindienne. L'abondance des taxons steppiques associés aux microparticules de charbon suggère une activité éolienne élevée. Les marqueurs d’humidité augmentent dès 14 900 ans BP et atteignent leur maximum entre 9 000 et 7 500 ans BP, au moment où se développe une mangrove à Rhizophora dans le Golfe d’Aden reflétant des conditions tropicales avec une saison pluvieuse d’été. La chronologie des événements élaborée à partir des résultats polliniques et des enregistrements continentaux tels les témoins des lacs et marécages et les spéléothèmes de Socotra et d’Oman documente la progression vers le Nord et l’Ouest de la limite estivale de la Zone de Convergence Inter-Tropicale (ITCZ) au cours de la transition glaciaire-interglaciaire, au moment de la mise en place de la Période Humide Holocène (PHH). L'ITCZ est localisée au Sud de l'Ethiopie à 19 000 ans BP puis migre vers le Nord pour atteindre Socotra à 14 510 ans BP, Qunf à 10 400 ans BP et Hoti à 10 000 ans BP. Les mouvements de l'ITCZ vers l'Ouest sont documentés par le développement de la mangrove à Rhizophora à partir de 12 600 ans BP. La carotte MD 92-1002 permet également de documenter la fin de la PHH qui débute très tôt comparativement à ce qui est observé en Afrique nord tropicale, en deux étapes successivement datées de 7500 et 4000 BP. Les assemblages de dinoflagellés montrent que la période glaciaire est caractérisée par de faibles upwellings et des eaux profondes bien ventilées. La productivité primaire marine dans le Golfe d’Aden augmente à partir de 14 500 ans BP et atteint un maximum pendant la transition glaciaire/interglaciaire, entre 12 600 et 10 800 ans BP. Il survient ~ 3 000 ans avant le pic d’intensité des upwellings de la marge d’Oman associé au maximum des vents de la mousson du S-O. Cette singularité pourrait s’expliquer par les conditions très particulières du Golfe d’Aden qui est situé à l’intersection de deux systèmes de vents orthogonaux pendant l’été boréal (des vents du S-O à l’Est du golfe et des vents orientés du N-O en provenance de la Mer Rouge). La courbe de COT révèle une nette variabilité Glaciaire/Interglaciaire, largement découplée des variations des assemblages de dinoflagellés. Cela suggère que la teneur en matière organique est essentiellement contrôlée par la préservation sur le fond marin. / Core MD92-1002 retrieved from the Gulf of Aden (12°01’32 N- 44°19’02E -1327 m of water depth) provides a unique paleoenvironmental and paleoclimatic record to study the evolution of continental and marine environments since 20 ka. I performed palynological analyses (pollen grains, spores, fungi, charcoal, freshwater algae, dinoflagellate cysts, copepod eggs) and combined those data with geochemical (δ¹⁸O, X-Ray Fluorescence) and sedimentological parameters (e.g. sedimentation rates, Total Organic Carbon (TOC)). Pollen grains reveal regional hyper-arid conditions during the glacial period, characterized by sparse vegetation cover of Saharo-Sindian origin. The abundance of steppic taxa associated with charcoal fragments suggests strong wind activity. Humidity tracers increased from 14.9 ka and reached their maximum between 9 and 7.5 ka. This maximum is characterized by the development of the tropical mangrove Rhizophora in the Gulf of Aden, reflecting tropical conditions with summer monsoon rains. The timing of events deduced from palynological records and continental data such as lacustrine and palustrine deposits and speleothems from Socotra and Oman, reveals a northward and westward shift of the Inter-Tropical Convergence Zone (ITCZ) summer position at the onset of the Holocene Humid Period (HHP). The ITCZ was located in southern Ethiopia at 19 ka, then migrated northward to reach Socotra at 14.51 ka, Qunf at 10.4 ka and Hoti at 10 ka. Westward shift of ITCZ is suggested by the development of mangrove (Rhizophora) from 12.5 ka. Core MD 92-1002 reveals that HHP termination took place earlier than over tropical North Africa, in two main steps dated at 7.5 and 4 ka, respectively. Dinoflagellate cyst assemblages suggest that the glacial period was characterized by weakened upwellings and well-ventilated bottom water. Primary productivity in the Gulf of Aden increased from 14.5 ka and reached its maximum during the glacial/interglacial transition between 12.6 and 10.8 ka. It took place about ~ 3 ka earlier than the peak intensity of upwellings off the Oman margin, which is associated with the maximum of SW monsoonal winds. This singularity could be explained by the landlocked position of the gulf, at the junction between two orthogonal wind regimes during the boreal summer season (SW monsoon winds prevailing to the East of the Gulf, while NW winds blow along the main axis of the Red Sea to the west). TOC analysis reveals a Glacial-Interglacial variability that is largely decoupled from our reconstruction of surface productivity, suggesting that organic content is mainly controlled by preservation at the sea floor.

La jonction triple des Afars relie la mer Rouge, le golfe d'Aden et le rift éthiopien. Il est possible d'y étudier les différents stades d'extension depuis le rifting actif jusqu'aux marges continentales passives. Si l'extension et l'activité magmatique sont généralement considérées comme étant restreintes aux segments actifs des rifts ou aux dorsales océaniques, il existe pourtant une activité magmatique sur les flancs des marges continentales passives de l'Afar, du sud de la mer Rouge et du golfe d'Aden. La tomographie de bruit et la tomographie télésismique sont des méthodes complémentaires qui permettent d'imager la croûte ou le manteau supérieur et de mettre en évidence des systèmes magmatiques. Nos études de tomographie ont mis en évidence la présence de systèmes magmatiques complexes sous les flancs du rift Afar, en lien avec des sources hydrothermales en surface. La mise en place de matériel magmatique dense sous forme d'intrusions ou sous-plaqué au niveau de la croûte inférieure de l'Afar accommode l'extension en dehors des segments magmatiques actifs. De plus, les flancs de la marge de la mer Rouge au Yémen sont affectés par un magmatisme provoqué par des remontées localisées de matériel mantellique depuis une large zone de manteau anormalement chaud. Nous suggérons également, sous les épaules des marges passives de l'est du golfe d'Aden, la présence de systèmes magmatiques avec ou sans expression volcanique à la surface. Ces systèmes pourraient être alimentés par des cellules de convection petite échelle se mettant en place à la faveur de variations d'épaisseur de la lithosphère, en bordure de marge et à proximité des grandes zones de fracture du golfe d'Aden. / The Afar triple junction is a unique region that links the Red Sea, the Gulf of Aden and the Ethiopian rift, and where it is possible to study the different stages of continental breakup, from early rifting to seafloor spreading and development of continental passive margins. Extension and magmatic activity are generally thought to be restricted to the active volcanic segments of the rift or to oceanic ridges. However, magmatic activity is also present on the continental margins flanks of the Afar rift, southern Red Sea and Gulf of Aden. The ambient noise tomography and teleseismic body-wave tomography are complementary methods that allow imaging the crust and upper mantle, and help to reveal magmatic systems. Our tomographic studies of the Afar region provide evidence for the presence of complex magmatic systems under the Afar rift flanks, currently modifying the crust and linked with hydrothermal systems near the surface. The emplacement of intruded or under-plated dense magmatic material in the Afar lower crust accommodates the extension outside of the active magmatic segments. In addition, the Red Sea margin flanks in Yemen are affected by magmatism caused by localized small-scale upwellings of mantle material, from a broad abnormally hot mantle zone located beneath Afar and southwestern Yemen. We also suggest the presence of magmatic systems with or without a volcanic expression at the surface, beneath the passive margins shoulders of the eastern Gulf of Aden. We propose that these systems could be fed by small-scale convection caused by lithosphere thickness variations at the edge of the Arabian plate and near the Gulf of Aden main fracture zones.

Le terme de « marge » est utilisé pour définir la bordure de la croûte continentale. En domaine extensif la déchirure de la lithosphère continentale (ou rifting) conduit à terme à la formation de deux marges dites passives, séparées par de la croûte océanique. Ces marges sont très représentées puisqu'elles bordent la grande majorité des masses continentales entourant les océans actuels : Atlantique, Indien, Antarctique, et Arctique. De plus, elles représentent le stade ultime d'évolution d'une zone de rift : elles conservent donc l'histoire des déformations subies par la lithosphère étirée. Par conséquent, l'étude de leur structure et de leur formation est essentielle pour améliorer les conceptions actuelles de l'extension lithosphérique. En effet, malgré l'abondance des données disponibles le long des marges passives et la complexification croissante des modèles, certaines questions concernant le comportement de la lithosphère en extension, notamment la nature et l'origine des mouvements verticaux de la marge au cours du rifting demeurent sans réponse précise. La partie orientale du golfe d'Aden représente un laboratoire idéal pour aborder l'étude des marges passives. Cette marge jeune (rifting oligo-miocène) et non-volcanique est exempte d'évaporites et c'est un des rares bassins où il est possible de suivre de manière continue l'évolution d'une marge depuis sa partie proximale jusqu'à la dorsale océanique. Par ailleurs, la partie proximale de la marge présente la particularité d'affleurer à terre ce qui a rendu possible une étude sédimentologique de terrain ainsi que le déploiement d'un réseau temporaire de stations sismologiques en 2003. Dans le cadre de ce travail, nous avons étudié les mouvements verticaux de la marge Nord du golfe d'Aden (Dhofar) par le biais de deux approches complémentaires. L'étude sédimentologique de terrain a permis d'établir un historique complet des différents mouvements verticaux associés au rifting. Elle révèle une phase de surrection burdigalienne à langhienne (~ 1 Ma) contemporaine de l'océanisation et/ou de la mise en place de la TOC (Transition Ocean Continent) dont l'amplitude est estimée à 700 m au minimum. Un second épisode de soulèvement, d'amplitude beaucoup plus faible (de l'ordre de la centaine de mètres), débute au Pliocène et se poursuit actuellement. La détermination de la structure très profonde de la marge (lithosphérique à asthénosphérique) a été effectuée par le biais d'une étude de tomographie télésismique. Le déploiement de 11 stations sismologiques large bande de mars 2003 à mars 2004 a permis d'enregistrer 284 téléséismes. L'étude tomographique révèle l'existence de deux anomalies principales sous la marge dhofari : (1) Une anomalie lente crustale, limitée aux premiers 20 km, liée aux épais dépôts sédimentaires de la Plaine de Salalah ; (2) Une anomalie lente asthénosphérique, située entre 170 et 200 km de profondeur environ. En nous appuyant sur le modèle de Goes et al. (2000), nous avons montré que le ralentissement des rais dans cette zone pourrait être rattaché à des phénomènes de fusion partielle. Cette zone de matériel plus léger pourrait être la cause du soulèvement observé dans les séries sédimentaires. Cependant, l'imagerie sismique ne nous permet pas d'évaluer l'âge de la mise en place de ce matériel mantellique anormal sous la marge Nord du Dhofar. L'élargissement de notre zone d'étude ainsi que des analyses géologiques et géophysiques complémentaires sont indispensables pour pouvoir totalement corréler ou non ces deux observations.

Le golfe d'Aden est un bassin océanique jeune séparant la plaque Arabe de la plaque Somalienne à une vitesse d'environ 2 cm/an depuis au-moins 17,6 Ma, moment du début de l'accrétion océanique ; le rifting ayant débuté il y a environ 35 Ma. Les marges continentales du golfe d'Aden sont volcaniques à l'Ouest, près du point chaud Afar, et non-volcaniques dans la partie orientale du golfe. Encore proches, du fait de leur jeunesse, les marges conjuguées sont facilement corrélables et de plus, elles sont relativement peu sédimentées. Ainsi, l'étude des structures profondes de la marge Nord-orientale du golfe d'Aden et la modélisation thermomécanique appliquée au golfe d'Aden oriental sont simplifiées. Le golfe d'Aden est divisé en trois parties (occidentale, centrale et orientale) par une segmentation de premier ordre (par les transformantes de Shukra-El-Sheik et d'Alula-Fartak). Dans la partie orientale du golfe d'Aden (entre les zones de fractures d'Alula-Fartak à l'Ouest et de Socotra-Hadbeen à l'Est), la marge nord est segmentée au deuxième ordre en trois segment appelés Ashawq-Salalah, Taqah et Mirbat, séparés par des zones d'accommodation. L'acquisition de données de bathymétrie, gravimétrie, magnétisme, sismique réflexion et sismique réfraction sur la marge nord-orientale du golfe d'Aden a été effectuée lors de la campagne Encens (Leroy et al., Février-Mars 2006). L'exploitation et l'interprétation des données de sismique réfraction et de gravimétrie sur le segment d'Ashawq-Salalah ont permis d'imager la structure profonde de la marge. L'amincissement de la croûte continentale se produit sur une distance de 50 à 100 km, les facteurs d'amincissement variant de 3,2 à 5,3. Ces facteurs d'amincissement sont alors suffisant pour que la croûte devienne totalement cassante. Ainsi, l'eau peut pénétrer en profondeur à la faveur de fractures provoquant la serpentinisation du manteau supérieur à la transition océan-continent (TOC). L'épaisseur de la croûte océanique diminue du centre du segment (10 km) vers sa limite avec le segment de Taqah (5,5 km). Cette observation est reliée à une variation d'apport magmatique le long de la paléo-ride océanique. La TOC est étroite (environ 15 km) et on observe en base de croûte un corps à vitesses et densités anormales (vitesses des ondes P entre 7,6 et 7,8 km/s et densité de 3,1 g/cm 3), d'épaisseur maximale d'environ 5 km. Ce corps est interprété comme du sous-plaquage et/ou de la croûte intrudée par du matériel magmatique relié à la présence d'un volcan dans le domaine transitionnel. Ces structures liées à une anomalie de fusion, sont datées d'âge post-rift. Les structures en vitesses de ce segment ne montrent aucune preuve de serpentinisation du manteau, probablement parce que les indices géophysiques de serpentinisation ont pu être effacés par la présence de magmatisme post-rift. Ainsi cette marge non-volcanique montre des évidences de magmatisme, dont le volume observé est cependant moins important que celui des marges volcaniques, et il est en outre associé à un évènement thermique post-rift. La phase de rifting est donc bien amagmatique. La modélisation thermomécanique est réalisée afin d'étudier l'influence sur la chronologie du rifting et l'évolution des marges conjuguées de plusieurs paramètres tels les taux d'érosion/sédimentation, la pression de la colonne d'eau, la résistance de la croûte, l'héritage tectonique, le contraste de densité entre la lithosphère et l'asthénosphère, l'âge thermique du craton et enfin le critère de rupture dans le manteau lithosphérique. Les résultats majeurs montrent que : (1) le contraste de densité entre le manteau lithosphérique et le manteau asthénosphérique gouverne la flexure de la croûte continentale et la profondeur du plancher océanique ; et (2) le critère de rupture dans le manteau lithosphérique contrôle la localisation de la déformation, et de cette manière, la géométrie des marges conjuguées et la chronologie du rifting. La synthèse de ces travaux et les observations disponibles sur le golfe d'Aden ont permis de contraindre les paramètres initiaux qui ont permis la formation et le développement du golfe d'Aden observé aujourd'hui et ainsi de proposer un modèle pour la formation et l'évolution du golfe d'Aden oriental. Ce modèle montre que la fusion partielle du manteau peut se produire au moment de la rupture continentale. Les produits de la fusion partielle peuvent alors " remonter " en surface et de la croûte océanique est susceptible de se former. De cette manière, la TOC peut être constituée de manteau continental exhumé, et être étroite. L'anomalie de fusion post-rift observée grâce aux données géophysiques n'est pas modélisée ici, car elle implique une vision 3D non encore disponible en modélisation thermo-mécanique visco-élasto-plastique. Même en 2D, les travaux de modélisation thermomécanique réalisés apportent une lumière nouvelle sur les processus conduisant à la formation de la TOC d'une marge non-volcanique.