Traçage thermique et géochimique des systèmes hydrothermaux : exemple d'un domaine océanique jeune et d'une marge continentale

par Virginie Le Gal

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre

Sous la direction de Anne Battani, Sylvie Leroy et de Francis Lucazeau.

Soutenue le 24-11-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre de Paris / iSTeP (laboratoire) .

Le président du jury était Christian Gorini.

Le jury était composé de Laurent Guillou Frottier, Bernard Mercier De Lepinay, Philippe Sarda, Jeffrey Poort.

Les rapporteurs étaient Laurent Guillou Frottier, Bernard Mercier De Lepinay.


  • Résumé

    Résumé Les processus hydrothermaux affectent l'ensemble des domaines océaniques et contrôlent efficacement leur régime thermique. Cependant, les études de flux de chaleur à l'échelle globale conduisent à des interprétations parfois en contradiction avec les études locales. Il est donc essentiel de comparer les effets de l'hydrothermalisme dans différents contextes régionaux. Dans cette optique, nous avons étudié le rôle de l'hydrothermalisme sur le régime thermique d'un domaine océanique jeune (en Atlantique) et d'une marge continentale jeune (Sud Baléares). Pour cela, nous avons quantifié les transferts et pertes de chaleur et de matière en utilisant des traceurs thermiques (mesures du flux de chaleur) et des traceurs chimiques (analyse des fluides interstitiels). Le domaine océanique jeune se situe dans l'océan Atlantique sur le premier segment au sud de la faille transformante Oceanographer. Les faibles valeurs du flux de chaleur indiquent que les circulations hydrothermales, induites par les nombreux affleurements, extraient d'importantes quantités de chaleur de la croûte. La composition de l'eau interstitielle est similaire à l'eau de mer, indiquant un temps de résidence faible de l'eau dans le socle. Nous avons identifié que la rugosité du plancher océanique est un des paramètres majeurs qui contrôlent l'efficacité de ces circulations de fluides. Ce relief à petite échelle a été comparé à d'autres régions où l'efficacité des processus hydrothermaux avait préalablement été discutée. Nous en avons déduis une relation empirique qui relie la fraction du flux de chaleur à ce relief. Sur la marge Sud des Baléares, les processus hydrothermaux semblent plus restreints car leur impact thermique est plus local. Sur la pente continentale, des contrastes importants du flux de chaleur ont été mis en évidence. Ils suggèrent des circulations hydrothermales controlées par la présence de nombreux monts volcaniques. Cependant, la chimie des fluides reste proche de celle de l’eau de mer et ne permet pas de confirmer ces observations. En revanche, les processus hydrothermaux sont limités dans le bassin par les épais dépôts de sédiments. La chimie des fluides indique la présence de saumures résiduelles et leur simple diffusion vers la surface. Les valeurs du flux de chaleur sont perturbées par les contrastes de conductivité thermique induits par la présence de diapirs de sel ou du socle. Dans les deux zones d’étude, les circulations de fluides sont liées à la présence de structures basaltiques fracturées dont la perméabilité est supérieure de plusieurs ordres de grandeur à celle des sédiments alentours. La rugosité initiale du plancher océanique et le taux de sédimentation contrôlent la tranche d’âge durant laquelle la croûte reste connectée à l’océan. En revanche, les circulations sont rapidement inhibées sur les marges par les apports importants de sédiments venant du continent proche. Cette conclusion est contrebalancée par d’autres événements pouvant survenir sur les marges telles que le volcanisme ou la tectonique active.

  • Titre traduit

    Thermal and geochemical tracing of hydrothermal systems : example of a young oceanic domain and a continental margin


  • Résumé

    Hydrothermal processes affect all oceanic domains therby controlling their thermal regime. At global scale, heat flow studies may lead to different interpretations than local studies. Comparing hydrothermal effects in different local contexts is essential to overcome this scale- issues. To do so, we studied the hydrothermal impact on the thermal regimes of a young oceanic domain (Atlantic Ocean) and a young margin (South Balearic). We quantified heat and matter transfers and heat losses with heat flow measurements and pore water chemical analyses. The young oceanic domain is situated on the first segment south of Oceanographer transform fault in the Atlantic Ocean. The low heat flow values indicate that hydrothermal circulations, conveyed by numerous outcrops, extract a lot of crustal heat. The composition of water in pores is similar to that of seawater. This points to a short residence time of water in the basement. We identified that the ruggedness of the seabed is one of the key parameters that control the fluid circulation efficiency. This small scale relief was compared to others regions where hydrothermal processes have already been debated. We deduced an empirical relation which links the fraction of the conductive heat flow to this relief. On the Southern Balearic margin, hydrothermal processes appear to be more limited because of their more local thermal impact. On the continental slope, great heat flow contrasts are highlighted. They suggest that hydrothermal circulation is controlled by numerous volcanic mounts. On one hand, pore fluid chemistry remains close to seawater composition and does not allow confirming these observations. On the other hand, hydrothermal processes in the basin are limited by thick sediment deposits and pore fluid chemistry indicates residual brines and their diffusion towards the surface. Heat flow values along the Southern Balearic margins are perturbed by thermal conductivity contrasts induced by salt diapirs or basement topography. In both study areas, fluid circulations are linked to fractured basaltic structures with a much larger permeability than the surrounding sediments. The seabed’s initial ruggedness and the sedimentation rate control the age range during which the crust is connected to ocean. Nevertheless, fluid circulations cease quickly due to important sediment flows from the nearby continent. This conclusion is partially offset by other events that may occur on the margins such as volcanism or active tectonic.


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