Pour mieux comprendre les résultats géophysiques en termes de géologie, il est important d'utiliser différents types de données acquises par plusieurs méthodes. Une seule méthode géophysique n'a pas nécessairement la résolution suffisante pour expliquer la géologie. Avec une seule méthode, il peut être difficile de donner un sens géologique aux anomalies observées dans les modèles. L'inversion conjointe, en revanche, est une approche permettant de combiner des données de différentes natures. L'inversion conjointe peut être réalisée de deux façons : structurale ou pétrophysique. On peut subdiviser les inversions conjointes en deux groupes : l'inversion conjointe de méthodes sensibles au même paramètre physique comme les sondages électriques DC-DC et AC-DC, et l'inversion conjointe de méthodes sensibles aux paramètres de natures différentes, comme la gravimétrie et la sismique ou la sismique et la magnétotellurique (MT).Dans ce travail de thèse, je présente la solution de l'inversion conjointe de données MT et gravimétriques. La bonne résolution verticale mais la faible couverture spatiale des données MT peuvent être complémentaire des données gravimétriques qui possèdent une excellente couverture spatiale mais une faible résolution verticale.Le problème qui se pose dans l'inversion conjointe de données de différentes natures, est comment relier les différents paramètres. Des formules analytiques entre les vitesses sismiques et les densités ou entre les résistivités électriques et les densités sont destinées à des études spécifiques. En général, il n'est pas évident de relier les paramètres par des relations pétrophysiques. Par conséquent, il est nécessaire de développer des algorithmes qui n'imposent pas de relation spécifique entre les paramètres. L'approche d'inversion conjointe présentée ici est assez générale. Je pose une fonction de condition géométrique (GCF) sous laquelle les paramètres varient dans le même domaine pour imager les mêmes milieux.La méthodologie développée durant cette thèse est testée et validée sur des modèles synthétiques. Une application est réalisée sur les données réelles acquises dans la région de Turkana, Nord Kenya, une branche du Rift Est Africain. Les résultats obtenus ont permis de confirmer certaines conclusions apportées par les résultats de la sismique réflexion et d'apporter de nouvelles informations. L'étude a permis, en effet, de mettre en évidence deux Bassins en forme de demi-graben et de déterminer l'épaisseur des basaltes, jusque là inconnus. Une stratigraphie est proposée pour les bassins de Turkana et de Kachoda. Concernant l'étude de la lithosphère, nos résultats montrent une croûte très hétérogène et un manteau supérieur homogène. Deux anomalies (conductrices et moins denses) ont été mises en évidence entre la croûte inférieure.Ces anomalies peuvent être des zones de fusion partielle à priori sont déconnectées du manteau supérieur ou s'est initié la fusion.

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. <br /><br />Ce mémoire, basé sur l'interprétation d'imagerie satellitale Landsat ETM+, corrélée aux données topographiques (SRTM) et aux données de sismique réflexion, permet :<br />- 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. <br />- 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. <br />- 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.<br />- 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. <br />- 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. <br /><br />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).

Les rifts continentaux résultent de l'action de contraintes extensives dont la magnitude est suffisante pour déformer un continent (forces aux limites des plaques, mouvements asthénosphériques). Cette déformation, contrôlée notamment par la rhéologie ou encore l'héritage structural lithosphérique, se réalise par des processus magmatiques (“dyking”) et tectoniques (rupture sur faille et étirement ductile) dont l'importance relative est mal connue et variable d'un segment de rift à l'autre. Afin de mieux comprendre comment ces différents facteurs et processus interagissent, la Divergence Nord-Tanzanienne (DNT) apparaît comme une cible privilégiée du Rift Est-Africain : elle représente un stade précoce du rift et montre une transition abrupte dans le style morphotectonique et l'expression du volcanisme. Cette étude a consisté à déployer un réseau sismologique local dans la DNT et à exploiter les données issues de l'enregistrement continu de l'activité sismique pendant 6 mois (campagne SEISMO-TANZ 2007). Les signaux des séismes proches et lointains sont utilisés comme indicateurs de la sismogénèse, de la résistance crustale, des champs de déformation et de contraintes, et renseignent aussi sur la structure et la fabrique (anisotropie) lithosphérique. La sismicité est essentiellement localisée dans la branche centrale de la DNT, au sud des lacs Natron (sud du volcan Gelaï) et Manyara. La crise sismique observée à Gelaï illustre la co-existence de processus magmatiques et tectoniques, avec la mise en place d'un dyke et le comportement à la fois asismique (glissement lent) et sismique (séisme de magnitude Mw 5.9) de failles normales. Les structures géologiques mises en jeu dans cette crise sont orientées NE-SW, obliques à l'axe ~N-S du rift dans la zone. Cette direction est parallèle à la fabrique tectonique antérieure qui est ré-empruntée par le rift Cénozoïque (faille Eyasi). A Manyara, les séismes sont remarquablement profonds (~20-35 km) et révèlent un décrochement sénestre sur un plan NE-SW. Ils illustrent le développement du rift vers le sud/sud-ouest sur la branche centrale Natron-Manyara-Balangida, au contact du craton tanzanien en profondeur. La contrainte principale minimum calculée dans la zone est orientée WNW-ESE et le régime tectonique local associé est transtensif. Il est fort probable que des fluides soient associés au déclenchement de cette séquence sismique profonde et de longue durée. L'influence de l'héritage structural dans l'expression des processus magmatique et tectonique accommodant la déformation s'observe aussi à l'échelle lithosphérique, par le biais de l'anisotropie sismique. Nos résultats soulignent 3 points majeurs: (1) les structures lithosphériques héritées (contrastes rhéologiques, fabriques crustale et mantellique) exercent un contrôle majeur sur la localisation et l'expression précoce du rifting continental; (2) la distribution des séismes en profondeur apparaît être un bon révélateur des propriétés rhéologiques de la croûte (transition fragile-ductile); et (3) dès le stade du rift immature (où la croûte est peu étirée), les processus magmatiques semblent jouer un rôle prépondérant dans l'accommodation de la déformation, en étroite interaction avec les processus tectoniques.

Le Rift Est Africain (REA) s'étend sur 3500 km du triangle des Afars au golfe du Mozambique et recoupe les hauts plateaux de l'Afar et de l'Afrique de l'Est, considérés comme l'expression morphologique liée à la présence en profondeur de panache(s) mantellique(s) Cénozoïque(s). C'est actuellement le plus bel exemple observable sur Terre de rift magmatique « actif ». La cinématique extensive associée à la branche Est du REA, magmatique, s'est initiée vers 30 Ma en Afar, puis a évoluée vers le Sud, en impliquant de multiples cellules de propagation centrées sur le dôme du Kenya, pour atteindre l'extrémité Sud du rift kenyan vers 8 Ma. Située à ce niveau, la Divergence Nord Tanzanienne (DNT) se caractérise par des changements importants dans l'expression de surface du rifting , passant d'une vallée axiale Nord-Sud unique à trois branches divergentes (d'Ouest en Est : Eyasi, Natron-Manyara et Pangani). Dans ces dernières, la déformation est plus diffuse, principalement dominée par des systèmes de blocs basculés où l'héritage structural est prépondérant. Associé à ce changement structural, se met en place une chaîne volcanique Néogène d'orientation Est-Ouest, d'environ 200 km de long, dans laquelle on trouve des édifices volcaniques majeurs tels le Ngorongoro, le Mont Meru ou le Kilimandjaro.<br />Ce travail de thèse présente les résultats de l'étude volcano-structurale menée sur cette zone de rift divergent. L'originalité de notre approche provient de la combinaison d'outils complémentaires (terrain, pétrologie, radiochronologie, géochimie isotopique Sr-Nd et des éléments en traces), appliquées à une zone clé du REA. Ainsi, à l'échelle des principaux volcans de la DNT, et particulièrement pour le Ngorongoro et le Mt Meru, nous avons pu reconstituer leur activité Plio-Quaternaire en précisant les mécanismes de mise en place de leurs principales formations volcaniques. Cette approche locale a été étendue à l'échelle régionale en synthétisant les données radiochronologiques existantes, complétées par six nouveaux âges K-Ar. Nous avons ainsi pu reconstituer l'histoire volcano-tectonique de la DNT et proposer un modèle d'évolution spatio-temporel du volcanisme depuis 8 Ma. Ce dernier met en évidence une migration de l'activité magmatique vers l'Est entre 8 Ma et l'actuel avec une activité généralisée dans l'ensemble de la DNT à 2,5 Ma, qui accompagne l'extension de la déformation vers la branche de Pangani. Le Kilimandjaro, édifice majeur à l'échelle du Rift Africain, constitue le cœur de ce travail. La détermination de dix sept nouveaux âges K-Ar a permis de contraindre dans le temps les processus volcaniques ayant affecté les trois centres le constituant, et plus particulièrement le centre principal de Kibo pour lequel nous parvenons à reconstituer les dernières phases d'édification entre 492 ka et 165 ka. Grâce à l'approche pétrologique et géochimique réalisée sur les laves du Kilimandjaro, nous proposons un modèle d'évolution des sources mantelliques de ces magmas, en montrant qu'ils sont issus de la fusion partielle d'une source lithosphérique hétérogène à amphibole et grenat résiduels, ayant acquis ses caractéristiques géochimiques au cours de deux épisodes métasomatiques distincts : un premier, probablement d'âge Précambrien, et le deuxième, Plio-Quaternaire, provoqué par la percolation des magmas formés au sein du panache asthénosphérique sous-jacent. La généralisation de cette approche à l'échelle de la DNT, pour les laves primitives d'âges < 1 Ma, met en évidence des différences dans les processus pétrogénétiques à l'origine du magmatisme de cette région. Si sa manifestation, à l'Est de la DNT, présente des compositions caractéristiques d'une fertilisation de la lithosphère par l'activité sub-actuelle d'un panache, les laves émises à l'Ouest comportent des signatures géochimiques héritées d'un manteau lithosphérique métasomatisé au Précambrien, en accord avec les résultats obtenus sur les enclaves mantelliques. Le type de métasomatisme, sa localisation et sa période d'activité sont certainement liés à l'héritage structural, et particulièrement au positionnement relatif des blocs cratoniques Archéen et des zones transverses affectant les ceintures orogéniques Protérozoïques.