Structure et évolution des failles de détachement et de la lithosphère océanique aux dorsales ultra-lentes : apports du magnétisme marin

Structure and evolution of detachment fault and oceanic lithosphere on the ultraslow spreading ridges : insight from marine magnetics

• Auteur / Autrice : Fei Zhou
• Direction : Jérôme Dyment
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 30/09/2022
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• 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 : Mathilde Cannat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mathilde Cannat, Kyoko Okino, Daniel Sauter, Maurice Tivey, Yongshun John Chen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Kyoko Okino, Daniel Sauter

Mots clés

Mots clés contrôlés

Magmatisme

Croûte océanique

Failles normales

Dorsales océaniques -- Indien, Océan

Anomalies magnétiques

Mots clés libres

Anomalies magnétiques océaniques

Dorsales ultra-lentes

Failles de détachement

Magmatisme

Marine magnetic anomaly

Ultraslow spreading ridges

Detachment faults

Magmatism

Résumé

Les anomalies magnétiques sur les dorsales ultra-lentes présentent une forte variabilité car l'apport magmatique hétérogène à ces dorsales génère une lithosphère contrastée, ce qui rend l'interprétation des anomalies difficile. D'un autre côté, cette variation offre l'opportunité d'étudier de manière originale la structure lithosphérique et l'expansion du plancher océanique. Par exemple, les failles de détachement fréquentes aux dorsales ultra-lentes exhument les roches du manteau sur le plancher océanique, et ces péridotites portant essentiellement une aimantation induite enregistrent mal les inversions de polarité du champ géomagnétique. Les données magnétiques acquises près du plancher océanique par véhicule sous-marin autonome (AUV) montrent une faible anomalie magnétique sur les surfaces de détachement, contrastant avec une forte anomalie sur les zones basaltiques. Nous identifions les limites de polarité lithologique et magnétique et calculons l'angle de rotation du mur inférieur de la faille de détachement à l'aide des anomalies. La comparaison de trois "Core Complexes" océaniques (OCC) de la dorsale ouest indienne (SWIR) à travers un paramètre, le degré de magmatisme, obtenu à partir de la quantité de basalte extrusif, montre que la rotation du mur inférieur des failles de détachement, la présence de serpentinite et de corps de gabbro exhumés, et l'évolution du détachement sont tous liés à ce paramètre. L'apport de magma irrégulier le long de l'axe sur les dorsales ultra-lentes engendre donc donc des OCC ou des failles de détachement aux caractéristiques variées. Une fois connue l'influence de l'accrétion par détachement sur les anomalies magnétiques marines acquises à proximité du fond, nous essayons de déterminer si cette influence s'étend aux anomalies magnétiques mesurée en surface. Si c'est le cas, les données magnétiques acquises par les navires pourraient s'avérer un outil utile pour estimer au premier ordre la structure lithosphérique des segments de dorsale dans le temps et le long de l'axe. Les résultats obtenus pour différents degrés de magmatisme montrent la signature de différents types de fonds marins, parmi lesquels la croûte magmatique présente des anomalies magnétiques fidèles à la succession des inversions de polarité alors que les surfaces de détachement sans gabbro ne génèrent aucun signal significatif. Cependant, lorsque le degré de magmatisme augmente, les corps de gabbro exhumés plus fréquents peuvent enregistrer des anomalies magnétiques d'amplitude relativement faible. La modélisation inverse de quatre profils observés le long de la SWIR montre également la fiabilité et la capacité de cette méthode dans l'estimation des types d'expansion du plancher océanique. Nous utilisons cette méthode sur 17 profils magnétiques transversaux observés sur trois dorsales ultra-lentes avec des taux d'expansion moyens différents, la dorsale de Cayman (Mid-Cayman Spreading Center or MCSC) à 16 mm/an, la dorsale ouest-indienne (SWIR) à 14 mm/an, et la dorsale de Gakkel (GR) à 12 mm/an. Les résultats montrent que l'expansion par failles de détachement représente de 15 à 52 % de la totalité du plancher océanique. Le magmatisme calculé et la durée des épisodes durant lesquels les failles de détachement dominent (DDFE) sont corrélés positivement et négativement avec le taux d'expansion, respectivement. Trois types d'expansion du plancher océanique, Magmatique-Tectonique (MT), Magmatique-Magmatique (MM), Tectonique-Tectonique (TT), et quatre modes d'évolution pertinents, MT, MT-MM, MM-TT, et Mixte, sont identifiés, reflétant la variation spatiale et temporelle de l'apport magmatique sur les dorsales ultra-lentes.

Magnetic anomalies on the ultraslow spreading ridges present strong variations in shape and amplitude because the heterogeneous magma supply generates an uneven lithosphere, making the interpretation of seafloor spreading difficult. On the other hand, these variations provide a good opportunity to study the lithospheric structure in these spreading centers. For example, the widespread detachment faults on the ultraslow spreading ridges exhume mantle rocks to the seafloor; the less magnetic peridotite generally bears dominantly induced magnetization and do not record the geomagnetic polarity reversals well. The near-seafloor magnetic data acquired by Autonomous Underwater Vehicle (AUV) show a weak magnetic anomaly over the detachment surface in contrast to a strong anomaly over the basalt area. We identify lithological and magnetic polarity boundaries and calculate the angle of footwall rotation based on this character. The comparison of three Oceanic Core Complexes (OCCs) on the Southwest Indian Ridge (SWIR) through a parameter, the degree of magmatism, obtained from the amount of extrusive basalt shows that the footwall rotation, the exposure of serpentinite, the exhumation of gabbro bodies, and the detachment fault evolution are all related to this parameter. The uneven along-axis magma supply at the ultraslow spreading ridges therefore triggers the variable OCCs or detachment faults. After having shown the effect and influence of detachment accretion on the near-seafloor magnetic anomalies, we try to clarify if this result can be extended to the much more abundant sea-surface magnetic anomalies. If so, the available or easy-to-acquire shipboard magnetic data would represent a tool to proceed with a first order estimation of the lithospheric structure variations both in time and along axis. Forward modelling results assuming different degrees of magmatism show the influence of different types of seafloors, in which the magmatic crust records well the magnetic polarity reversals whereas pure detachment-fault crust does not generate any significant magnetic anomaly signal. However, when the degree of magmatism increases, the more frequent exhumed gabbro bodies record magnetic anomalies of relatively lower amplitude. Inverse modeling of four observed profiles across the SWIR show the reliability and the ability of this method to estimate the mode of seafloor spreading. We then apply this method to 17 across-axis magnetic anomaly profiles on three ultraslow spreading ridges with different average spreading rates, the Mid-Cayman Spreading Center (MCSC) at ~16 mm/yr, the SWIR at ~14 mm/yr, and the Gakkel Ridge (GR) at ~12 mm/yr. The analysis shows that detachment-fault spreading amounts for 15 to 52% of the total seafloor. The calculated magmatism and duration of dominantly detachment fault episode (DDFE) positively and negatively correlate with spreading rate, respectively. Three modes of seafloor spreading, Magmatic-tectonic (MT), Magmatic-magmatic (MM), Tectonic-tectonic (TT), and four relevant evolution patterns, MT, MT-MM, MM-TT, and Mixed, are identified, reflecting the spatial and temporal variation of magma supply on the ultraslow spreading ridges.