Les marges conjuguées de l'Atlantique Sud sont le produit du rifting et de la rupture du continent Pangée. Ce continent présente une hétérogénéité crustale et lithosphérique importante, dont la prise en compte est un objectif de la thèse. Afin de comprendre la rupture continentale à l'échelle lithosphérique de systèmes de rhéologies préexistantes très différentes, nous avons effectué des modélisations, analogique et numérique. Les modèles analogiques s'attachent à montrer l'effet des forces externes sur un tel système hétérogène tandis que les modèles numériques, thermomécaniques, se concentrent sur l'impact des anomalies de fusion du manteau sur le rifting avec une telle configuration.Avec la modélisation analogique, l'effet des forces aux limites sur un système composé de deux segments de rhéologies différentes a été testé à l’échelle de la lithosphère pour comprendre l'influence de l'hétérogénéité rhéologique dans un système en extension. Les résultats montrent que dans un système combiné, toute l'extension se produit dans le segment faible et que le contact entre les deux segments ne joue pratiquement aucun rôle dans l'initiation des failles. Lorsque le segment le plus faible contient une couche résistante dans le manteau supérieur, le rift évolue en deux phases. La première phase montre un système de failles larges où la déformation est distribuée. Une fois que la partie résistante du manteau supérieur est suffisamment affaiblie, l'extension se localise le long d'une zone de faille étroite. Si l'extension continuait, la rupture se produirait à cet emplacement, dans une partie plutôt homogène alors que le système est latéralement hétérogène. Le résultat de ce système extensif serait des marges asymétriques avec une croûte faible/hyper-étirée sur deux marges.Les résultats numériques montrent que, dans le cas de la rupture continentale induite par un panache, le mode de rupture «central», où la rupture se localise au-dessus du point de l'impact du panache, est une forme de rupture continentale parmi d'autres. Ainsi, lorsque l'anomalie de fusion du manteau est localisée de manière décalée par rapport au contact entre les segments rhéologiques, un mode de rupture "décalé" peut se développer. Dans ce cas, le matériel du panache atteint la base de la lithosphère et s’écoule latéralement jusqu’au contact entre les deux segments rhéologiques où le rifting se localise in fine. La partie du matériel qui n’arrive pas au centre de la zone de rupture, se situe au niveau de la croûte inférieure ou bien plus profond, ressemblant aux corps de densité/vitesse élevées imagés le long des marges de l'Atlantique Sud. De plus, le mode «décalé» reproduit l'asymétrie des marges conjuguées... / The South Atlantic conjugate margins are the product of continental rifting and break-up of Pangea, which was made up of different crustal features prior to rifting. This study investigates continental rift initiation and break-up of alternative lithospheric setups, consisting of large segments with different rheological strength, with the use of analogue and numerical modelling. The analogue models investigate the effect of far-field forces on a system that consist of multiple rheological segments, whereas the numerical models include thermal processes and focus on the impact of initial plume emplacement on such a setup.Lithosphere-scale analogue models consisting of two different rheological compartments have been subjected to extensional forces, to understand effect of far-field forces on large rheological heterogeneities in a system within an extensional tectonic regime. The results show that in such a system, the weaker segment accommodates all the extension. At the contact between the two compartments no rift-initiation is observed. In the presence of a strong sub-Moho mantle, the rift evolution consists of two phases. The first phase is a wide or distributed rift event. Once the strong part of the upper mantle has sufficiently weakened, the rift localizes and a narrow rift continues to accommodate the extension. If extension would continue, break-up would happen at the location of the narrow rift, thereby breaking a rather homogenous part within a laterally heterogeneous system. This would result in asymmetric margins with hyperextended, weak crust on both margins.The numerical results show that, in the case of plume-induced continental break-up, the classical ‘central’ mode of break-up, where the break-up centre develops above the plume-impingement point is not the only form of continental break-up. When the mantle anomaly is located off-set from the contact between rheological segments, a ‘shifted’ mode of break-up may develop. In this case, the mantle plume material rises to the base of the lithosphere and migrates laterally to the contact between two rheological segments where rifting initiates. Mantle material that does not reach the spreading centre and remains at lower crustal depths, resemble high density/high velocity bodies at depth found along the South Atlantic margin and providing geometric asymmetry.Further investigation on the exact influence of the initial plume position with respect to the contact between the rheological compartments shows that there is a critical distance for which the system develops either ‘central’ (or ‘plume-induced’) continental break-up or ‘shifted’ (or ‘structural inherited’) continental break-up. For Moho temperatures of 500 – 600 oC, there is a window of ~50 km where the system creates two break-up branches. These results explain complex rift systems with both vertical penetration of plume material into the overlying lithosphere as well as reactivated inherited structures developing break-up systems both aided by the same mantle plume...

L'inversion conjointe géophysique est la méthode la plus efficace pour imager l'intérieur de la Terre. En intégrant plusieurs techniques géophysiques elle permet de réduire les incertitudes inhérentes à chacune et ainsi améliorer la compréhension de la Terre. Dans cette étude, nous utilisons les techniques des fonctions récepteur (RF) en sismologie, de la magnétotellurique (MT) et de la gravimétrie qui permettent de caractériser respectivement la vitesse des ondes S, la résistivité électrique et la densité du sous-sol.Le but de ce travail de recherche se divise en deux parties: une première, méthodologique, sur le développement d'une nouvelle approche d'inversion conjointe en 3D et une deuxième avec l'application de ces techniques (en approche jointe ou séparée) sur la Divergence Nord Tanzanienne pour mieux comprendre le phénomène de rupture continentale. Pour la partie méthodologie deux approches ont été développées : une entre les données de MT et de gravimétrie avec un calcul original de l'effet gravimétrique de la topographie qui permet de réduire le nombre de mailles tout en gardant une résolution satisfaisante ; et une deuxième méthode entre les données de MT et de RF par une nouvelle approche d'extrapolation des modèles 1D de vitesse en pseudo modèle 3D de vitesse. L'application de ces techniques sur la Tanzanie a permis de mettre en évidence un certain nombre de structures lithosphériques dont deux zones majeures à faible vitesse dans la croûte inférieure et dans le manteau supérieur. Cette dernière semble refléter des interactions entre des structures héritées d'âge protérozoïque et le panache mantellique Africain. / Geophysical joint inversion attempts to reproduce as best as possible the interior of the Earth. By integrating several geophysical techniques the joint inversion reduces the uncertainties of each methods and improves our understanding of the Earth structure. In this study we use the receiver functions (RF), the magnetotelluric (MT) and the gravity methods which enable to charaterize the Swave velocity, the electrical resistivity and the density, respectively. The objective of this research work is divided in two parts; first with the development of a new 3D joint inversion approach and then with the application of these methods (on a joint or separate approach) on the North Tanzanian Divergence to better understand the continental breakup.For the methodologic part two approaches have been developed; one between the MT and gravity data with an original computation of the topographic effect which decreases the number of cells while keeping a satisfaying resolution. And a second method between the MT and RF data where pseudo 3D velocity model are created and combined with the MT models to better takes into account the physical properties of the receiver function. The application of these methods on the Tanzania highlighted several lithospheric structures and particularly two low-velocity areas in the lower crust and the upper mantle. This latter suggests interactions with Proterozoic inherited structures and the African plume material.

Dans cette thèse nous quantifions les interactions entre phénomènes tectoniques et magmatiques au niveau d'un rift proche de la rupture continentale: celui du Dabbahu / Manda Hararo en Afar (Ethiopie), qui a été le siège d'un épisode de rifting majeur en 2005. Nous apportons ici des contraintes temporelles sur ces interactions à l'échelle du millier à la dizaine de millier d'années, afin de mieux comprendre l'évolution des processus responsables de l'acquisition de la topographie. Pour cela nous avons produits des âges d'expositions de surfaces de coulées de laves et d'escarpement de failles par la technique des isotopes cosmogéniques. Ces datations ont été combinées à des travaux de cartographie et de géochimie (éléments majeurs et traces). Nous montrons que nord du segment est sous l'influence de la présence d'un volcan terminal qui impacte le développent de la topographie. Le milieu du segment permet d'évaluer l'impact des variations spatiales et temporelles de la localisation des réservoirs sur la topographie. Le long du segment, il apparaît que la topographie se développe quand les réservoirs magmatiques locaux ont une activité modérée à faible, alors que la topographie est inhibée lors des phases de magmatisme intense. Nos observations ont permis de monter que l'épisode de rifting de 2005 n'est pas représentatif de l'évolution globale de la morphologie du rift, et que ce type d'intrusion ne représente sans doute qu'un dixième des injections totales. Enfin, l'accrétion magmatique est soutenue à l'axe par différents réservoirs magmatiques qui semblent se relayer dans le temps, et dont la position peut varier de 15 kilomètres de part et d'autre de l'axe / In this thesis we quantify the interactions between tectonic and magmatic processes in the active Dabbahu rift segment, which experienced in 2005 a major rifting event. Here, we provide accurate constraints at this time scale by producing cosmogenic exposure ages of lavas surfaces and faults scarps, in order to decipher the morphological evolution of a rift depression, and to identify the processes that are responsible for the topography acquisition. The study is based on samples taken on two separate areas of the rift. The field areas were systematically mapped, and all lavas were chemically analysed in major and trace elements. The first studied focused the northern portion of the rift segment, where the lavas of the segment terminating volcano meets the neo-volcanic zone. This area allowed the influence of the presence of such volcanic edifice to be assessed. The second studied area is located at the middle of the segment, and covers the rift western margin up to the rift axis. The topography in this area is sensitive to the evolution in space and time of the location of the different axial magma reservoirs. Our results show that along the rift segment, topography develops during phases of low magmatic activity, and is inhibited during phases of lower magmatic activity. The 2005 appears to be an unusual event that represents about a tenth of the total intrusions necessary to build the depression. The maintaining of magmatic accretion at the axis seems to be the result of a relay between different magma reservoirs. The position of these reservoirs can vary between 0 and 15 km from both sides of the rift axis

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.