Propriétés magnétiques et physiques de carottes sédimentaires prélevées le long du prisme d'accrétion des petites Antilles : risques naturels et influence de la lithologie sur le signal paléomagnétique

Magnetic and physical properties of sediment cores collected along the Lesser Antilles accretionary wedge : natural hazards and influence of lithological changes on the paleomagnetic signal

• Auteur / Autrice : Arthur Bieber
• Direction : Nathalie Feuillet, Guillaume St-Onge
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 30/03/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité en cotutelle avec Université du Québec à Rimouski
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Bernatchez
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Bernatchez, Christian Beck, Torsten Haberzettl
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Beck, Torsten Haberzettl

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbidites

Paléomagnétisme

Paléosismologie

Petites Antilles

Holocène

Mots clés libres

Quaternaire

Petites Antilles

Paléosismologie

Paléomagnétisme

Turbidites

Complexes homogénites-Turbidites

Quaternary

Lesser Antilles

Paleoseismology

Paleomagnetism

Turbidites

Homogenites-Turbidites complexes

Résumé

L'arc volcanique des Petites Antilles résulte de la subduction des plaques océaniques Atlantique sous la plaque des Caraïbes. Les failles en échelons accommodent la composante oblique de la convergence et l'accumulation des tensions mécaniques à l'interface des plaques en question, générant des séismes récurrents, comme en 2007 au large de la Martinique (M=7.4). D'autres séismes associés à l'interface de subduction, peuvent être dévastateurs comme ceux reportés en 1839 et 1843 au large des iles de la Martinique et de la Guadeloupe. Il est donc important de mieux comprendre le fonctionnement de cette zone de subduction et ses cycles sismiques. C'est dans ce contexte que la mission océanographique CASEIS a eu lieu durant l'été 2016 pour récolter des carottes sédimentaires et obtenir de nombreux profils sismiques afin de mieux contraindre les aléas sismiques au Quaternaire. En effet, des études ont montré qu'il était possible d'utiliser des couches déposées rapidement (RDL) et notamment les turbidites comme marqueur stratigraphique de séismes. Si ces dépôts ont lieu de façon simultanée dans des bassins isolés, alors il est probable qu'ils aient été déclenchés par un séisme. De plus, des complexes homogénites-turbidites (HmTu) ont déjà été identifiés dans la région et sont susceptibles d'être la signature de mégaséismes ou des tsunamis associés. À l'aide des paramètres physiques, magnétiques et lithologiques de cinq carottes sédimentaires, cette thèse de doctorat montre également l'intérêt du paléomagnétisme pour les études de paléosismologie marine. Dans le premier chapitre, une magnétostratigraphie régionale est établi à l'aide des variations de paléointensité relative (RPI), des isotopes de l'oxygène et des inversions géomagnétiques passées. En effet, la carotte CAS16-24PC récoltée sur un point haut du prisme d'accrétion est datée à plus de 1,15 Ma. En comparant les données magnétiques et isotopiques à des compilations de mesures datées précisément, de nombreux tie-points permettent de cadrer temporellement l'ensemble de cette carotte. Le second chapitre utilise les dates radiométriques (carbone 14) d'études antérieures, la magnétostratigraphie régionale et la compilation de paléointensités de l'Atlantique Nord pour dater quatre carottes et estimer l'âge des RDL de trois d'entre-elles. Ces dernières ont été prélevées dans des bassins de l'avant-arc des Petites Antilles et du prisme, isolés les uns des autres et des apports directs des îles et des plateformes carbonatées. Toutes présentent des turbidites et des HmTu qui, étant donné la localisation et la profondeur de prélèvement, seraient reliées à des événements sismiques. L'âge des événements est mieux défini à l'aide de la RPI des carottes, et permet d'estimer un super-cycle sismique de 24 ka incluant une période de quiescence de 6 ka. Le troisième chapitre étudie les variations de l'enregistrement paléomagnétique en fonction de la lithologie. Cette analyse permet d'établir un nouveau modèle de dépôt des HmTu en utilisant les variations de l'inclinaison. En effet, la base des HmTu présente un enregistrement peu fiable lié à un hydrodynamisme important, alors que la partie homogène enregistre une oscillation reflétant un effet de seiche induit par un séisme. Enfin, en combinant l'ensemble des données des turbidites, l'épaisseur de ces couches suit une relation linéaire avec les variations d'inclinaison et une relation quasi-logarithmique avec la taille des grains magnétique. Ces corrélations montrent que la taille des grains comme la compaction ne permettent pas d'expliquer à eux seuls les variations de l'enregistrement du signal paléomagnétique par les turbidites. Cette thèse permet ainsi d'établir une cyclicité des événements sismiques (de l'activité tectonique) au cours des derniers 70 ka dans les Petites Antilles tout en apportant une magnétostratigraphie régionale et de nouvelles données sur les processus d'acquisition d'une aimantation rémanente par le sédiment.

The Lesser Antilles volcanic arc result from the Atlantic plates subducting beneath the Caribbean plate. En echelon fault system accommodates oblique convergence component that generate several earthquakes such as offshore Martinique (M=7.4) in 2007. Subduction interface megathrusts can be devastating, as reported in 1839 and 1843 offshore Martinique and Guadeloupe islands. It is essential therefore to better understand how this subduction zone and its seismic cycles work. In this context, the CASEIS expedition took place during the summer 2016. Several sediment piston-cores and a number of seismic profiles were collected to better constrain the seismic hazard over the recent Quaternary. Several studies reveal rapidly deposited layers (RDL) especially turibidite as good stratigraphic marker for seismic event. If such deposits are found simultaneously in several basins of the Lesser Antilles, then these deposits were most probably triggered by seismic events. In addition, homogenite-turbidite complexes were already identified in this region and are probably the fingerprint of megathrusts or associated tsunamis. Using physical, magnetic, and lithologic parameters of five sediment cores, this thesis shows how paleomagnetism can be useful for marine paleoseismologic studies. In the first chapter, a regional magnetostratigraphy is established using relative paleointensity variations (RPI), oxygen isotopes and geomagnetic reversals. Core CAS16-24PC, which was collected on a topographic high of the accretionary wedge, is dated at over 1.15 Ma. By comparing paleomagnetic and isotopic data to well dated stacks, many tie-points allowed to better constrain the chronostratigraphy of the entire core.The second chapter uses previously published radiometric dating (carbon 14), the regional magnetostratigraphy, and the North Atlantic paleointensity stack to date four cores and to estimate RDL ages for three of these cores. These cores were retrieved in disconnected fore-arc and accretionary prism basins. These basins are also disconnected from direct carbonate platforms and islands inputs. All cores are interbedded by turbidites and homogenite-turbidite complexes. Considering location and depth, these deposits are probably triggered by seismic events. Events ages are better defined with the combination of RPI and radiocarbon dating and allow to estimate a seismic super-cycle of 24 ka including a quiescence period of 6 ka. The third chapter studies variations of paleomagnetic record as function of the lithology. Quantity of RDL identified in all studied cores provided new insight of turbidites and homogenite-turbidite complexes (HmTu) paleomagnetic records and established a new depositional model for the latter. These results rely on paleomagnetic inclination variations. While HmTu basal deposits show unreliable paleomagnetic data linked to a strong hydrodynamic influence, homogenous upper parts record an inclination oscillation. This oscillation results of a seiche effect induced by a seismic event. By combining all turbidites including basal part of HmTu, a linear relationship is found between layer thicknesses and inclination variations. In contrast, magnetic grain size shows a quasi-logarithmic relationship with layer thicknesses. These relationships reveal that grain size and compaction cannot explain themselves the turbidites paleomagnetic signal variations. This project has better answered the main problem of the seismic cycles of the Lesser Antilles subduction zone. Through the three chapters, we were able to establish a cyclicity of tectonic activity for the last 70 ka in the Lesser Antilles, whilst a regional magnetostratigraphy back to over 1.15 Ma, and new data and knowledge on the acquisition of remanent magnetisation by the sediment.