Architecture and fracturing mechanisms of Icelandic rift within the Vatnajökull region

Architecture et mécanismes du rift islandais dans la région du Vatnajökull

• Auteur / Autrice : Romain Plateaux
• Direction : Françoise Bergerat, Bernard Mercier de Lépinay
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Nice
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Photogrammétrie

Dorsale médio-atlantique, Rift de la

Islande

Rifts

Roches -- Fracturation

Résumé

Iceland is an emerged part of the Mid-Atlantic Ridge caused by the superposition of the spreading ridge axis and the Icelandic hotspot. This peculiar situation gives rise of the two interactions between the tectonic and volcanic processes, intimately linked in such to a region. On the Earth’s surface, these interactions are expressed by volcano-tectonic systems made of central volcanoes, long eruptive and non-eruptive fissures and faults. Although the volcano-tectonic environment has come to be well understood in the last three decades, the orientation and relative magnitude of the crustal stresses as well as fractures geometry in space and time is poorly documented. The central part of Iceland is located within the East Volcanic Zone where the youngest and most active volcanic systems are present. Among those systems, the Bardabunga-Veidivötn, the Gŕ́imsvötn-Laki and the Kverkhnj́ukar are especially interesting because at the surface thy highlight numerous fractures (reaching a few kilometers in length), important seismic activity is present (with occurrence of recent dykes); and their continuity in the off-rift zone allows assessment of the ancient brittle structures. It also contains the largest glacier in Europe : the Vatnajökull (recovering part of the geological structures). Finally, the apex of the Icelandic hotspot is underlying the crust. For reasons of glacier overlapping as well as tricky access in the field, the central part of Iceland is poorly documented in terms of tectonic analysis. The aim of this work is to characterize the stress field in space and time (from surface to depth) in order to better understands the tectonic and volcanic interactions. Using a collection of focal mechanisms (in the active rift zone) and of fault slip date (in the off-rift zone) the slip vector can be inverted for inferring the orientations and the relative magnitude of the stresses. At the surface photogrammetry techniques are used for inferring the fracturing geometry and mechanisms in the active rift zone. The presence of the glacier might induce a perturbation on the volcano-tectonic processes. To do so, we divided the central part of Iceland into three sub-zones : (i) the rift at the southwest part of the glacier, (ii) the rift at the northeast part of the glacier and (iii) the rift beneath the glacier. The comparison between the active rift and off-rift zones will allow the evaluation of the volcano-tectonic processes in space and time. This thesis is composed of three main parts. The first one is constituted of two chapters including (i) the state of the art of the geodynamics of Iceland and (ii) on methods used in this work. The second part is divided into three chapters corresponding to the different sub-zones mentioned above. The last part is a general discussion and synthesis from different analyses carried out in each area, and finally a conclusion.

L’émergence de l’Islande résulte de la superposition du point chaud islandais et de la dorsale médio-atlantique. Ainsi, les processus tectoniques et volcaniques sont intimement liés dans cette région. Même si, dans ces dernières décennies, la compréhension des processus tectono-volcaniques a connu un progrès important, l’orientation et les magnitudes relatives des contraintes crustales ainsi que la géométrie des structures restent peu étudiées. La Zone Volcanique Est, qui constitue la partie centrale de l’île à laquelle se surimpose en partie le glacier Vatnajökull, offre la possibilité d’étudier les interactions entre les processus tectoniques et les processus volcaniques, car elle présente les systèmes tectono-volcaniques les plus jeunes (3Ma), affectés de nombreuses failles kilométriques en surface, et les plus actifs en terme de micro sismicité et de volcanisme. Dans les zones de paléo-rifts la continuité avec ces systèmes tectono-volcaniques permet d’accéder aux structures cassantes fin-pliocènes et pléistocènes exhumées par l’érosion. Nous avons utilisé trois approches pour caractériser la fracturation et l’état de contraintes crustales : (1) les techniques de géomorphologie quantitatives issues de la photogrammétrie pour les traces de surface des failles et fissures en utilisant une collection de photographies aériennes pour reconstruire une mosaïque 2D et des modèles stéréoscopiques pour cartographier et évaluer le rejet de failles, accompagnées d’une validation terrain dans des secteurs choisis ; (2) des techniques d’inversion des vecteurs glissements des mécanismes au foyer pour reconstruire les champs de contraintes actuelles, incluant des tests de damier (checkerboard) avec des données synthétiques et de perturbations aléatoires pour évaluer la robustesse des inversions ; (3) des techniques d’inversion des vecteurs glissements des paléo-failles pour établir l’évolution de l’état des contraintes sur le terme. Dans les zones de rift actives, les champs de contraintes actuelles se caractérisent par des régimes normaux et décrochant, associés à des rapports de forme élevés (S1 = S2). Le comportement sismotectonique se caractérise donc par des permutations de contraintes. En termes d’orientation, deux directions principales ont été estimées : une direction d’extension parallèle à la direction d’ouverture du rift (globalement N°105E, DeMets et al. 1990) et une autre déviée voire perpendiculaire à cette dernière. Ces directions déviées sont probablement liées à la présence de chambres magmatiques, que l’on peut considérer comme des inclusions élastiques, et à l’action de la suppression de fluides, qui doivent jouer un rôle de premier ordre sur le champ de contraintes local, là où les volcans actifs sont présents. L’influence du glacier Vatnajökull sur le champ des contraintes actuel reste délicate à estimer. Certains auteurs avancent que celle-ci serait peu significative à l’échelle de temps sismotectonique (20 ans). En surface, les mécanismes de fracturation ont pu être déduits à partir des systèmes volcaniques les plus récents dont Bardabunga-Veidivötn, Gŕ́imsvötn-Laki et Kverkhnj́ukar. Nos résultats montrent que la distribution des longueurs de failles en fonction des rejets suit une loi de puissance. Cette distribution met en lumière la croissance des failles par coalescence de fractures voisines, processus confirmé dans d’autres segments du rift islandais. Les systèmes volcaniques s’organisent généralement en larges structures de type graben. La forte régularité de la fracturation en surface et les modes de rupture déduits (tension en surface et cisaillement à ‘500 m de profondeur) permettent de déduire l’orientation de la contrainte horizontale minimum, S3, qui est estimée en moyenne à N 130° E. Dans les zones hors rift, les paléo-failles montrent des régimes normaux et décrochant. Les directions de contraintes principales présentent deux directions de S3 : une direction cohérente avec l’extension et une déviée par rapport à celle-ci. Ainsi, nous proposons que les paléo-contraintes déviées, de la même façon que pour le champ de contraintes actuel, pourraient être liées aux processus volcaniques anciens. La comparaison en termes d’orientations de la contrainte horizontale minimum entre les zones de rift actives et hors rift montre une bonne cohérence avec l’ouverture du rift. A la différence de ce qui a été observé pour les mécanismes de fracturation dans la croûte, les zones superficielles sont dépourvues des régimes décrochant. D’ailleurs, les contraintes actuelles tendent à montrer un continuum entre les régimes décrochant et normal (S1 S2) alors que les paléo-contraintes semblent montrer des régimes purement décrochant et purement normal (avec un rapport de forme faible). Ces comportements différents peuvent s’expliquer (1) par un biais méthodologique introduit par l’observateur et (2) par la différence d’échelle dans l’espace et le temps différente (de quelques années à plusieurs millions d’années).