Crétacé qui a évolué en marge passive volcanique, lors de la rupture lithosphérique La transition continent-océan (COT) des marges passives volcaniques 37
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ACADEMIE DE NANTES
THESE DE DOCTORAT DE L"UNIVERSITE DU MAINE
Spécialité
Géodynamique
Présentée pour obtenir le grade de DOCTEUR de l"UNIVERSITÉ DU MAINE ParMohamed Mansour
ABDELMALAK
Laboratoire de Géodynamique, Le Mans UMR CNRS 6112 Ecole doctorale : SPIGA " Science Pour l"Ingénieur, Géosciences, Architecture ED 498 » Composante Universitaire : U.F.R. Science et Technique Transition Spatio-temporelle entre rift sédimentaire et marge passive volcanique : l"exemple de la Baie de Baffin,Centre Ouest Groenland
Soutenue devant le jury composé de :
Laurent GEOFFROY..................................................................Directeur de thèse
Charles AUBOURG...............................................................Co-directeur de thèse
Olivier DAUTEUIL............................................................................Rapporteur
Françoise BERGERAT .......................................................................Rapporteur
Laurent GERNIGON..........................................................................Examinateur
Nadine ELLOUZ-ZIMMERMANN........................................................Examinateur II IIIRésumé
Les marges passives volcaniques permettent d"étudier les mécanismes de rupture de la
lithosphère continentale en présence d"un manteau anormalement chaud. Alors que ces marges ne sont
généralement étudiées qu"à partir des moyens de prospection géophysique, les côtes du Groenland
(Province Magmatique Nord-Atlantique) présentent un exemple onshore des parties proximales de cetype de marges. La thèse présentée se focalise sur l"évolution structurale et thermique de ces marges,
en intégrant l"extension et le développement des bassins sédimentaires pré-magmatiques. La marge SE de la Baie de Baffin (Centre Ouest Groenland) expose un rift sédimentaireCrétacé qui a évolué en marge passive volcanique, lors de la rupture lithosphérique entre le Groenland
et la plaque Nord Américaine à l"Eocène. Tous les contacts et les structures tectoniques sont visibles à
terre, en coupe et en plan sur une zone d"affleurement d"environ 200x300 km : contact socle /faillebordière du rift, recouvrement et cachetage des formations sédimentaires par les formations
volcaniques, développement d"un prisme de type SDR pendant le break-up Eocène.Le développement du système sédimentaire Crétacé/ Paléocène inférieur est caractérisé par la
succession de deux épisodes de rifting séparés par un épisode de subsidence thermique. Le premier
épisode, qui date du Crétacé inférieur réactive des structures du socle de direction WNW-ESE à NW-
SE. Le deuxième épisode d"extension, d"âge Crétacé supérieur, est caractérisé par des failles
subméridiennes et une extension générale E-W. Cet épisode tectonique précède le magmatisme
paléogène.La transition du stade " rift sédimentaire » au stade " marge volcanique » est caractérisée par
la focalisation de la déformation vers l"ouest (i.e. vers le domaine océanique) avec une flexuration
syn-magmatique de la croûte et une formation d"un prisme de SDR interne dont on présente la
structure 3D. Le développement de ce prisme est contrôlé par un détachement à pendage vers le
continent.L"extension au niveau de la marge est généralement perpendiculaire à la direction de la flexure
à l"exception de la zone de Nuussuaq qui représente un segment d"ouverture oblique. Une direction
d"extension postérieure à la flexure, syn-magmatique et subméridienne est également identifiée. Cette
extension, datée du début de l"Eocène (C24), coïncide avec le changement de direction d"ouverture
entre la plaque Groenland et la plaque Nord Américaine et le début de l"océanisation dans la Baie de
Baffin.
Afin de contraindre l"évolution thermique du bassin sédimentaire avant et pendant le
magmatisme, une étude couplée de RockEval de réflectance de la vitrinite et de minéralogie
magnétique est entreprise dans les formations argileuses de la marge. La matière organique identifiée
est de type III et on met en évidence un gradient de maturation de l"est vers l"ouest, en bon accord
avec la paléogéographie du bassin sédimentaire.L"aimantation rémanente isotherme (IRM) à haute température (HT) et à basse température
(BT) ainsi que l"étude de la susceptibilité magnétique d"échantillons d"argilites, montre l"existence de
phases magnétiques particulières, comme la goethite, la greigite, la magnétite et la pyrrhotite. Ces
minéraux magnétiques permettent de contraindre l"évolution thermique du bassin en association avec
les données de Rock-Eval et de réflectance de la vitrinite.Finalement, nous présentons un modèle thermo-structural de ce type de marge qui est
confronté aux modèles de la marge offshore de Vøring au large de Norvège, marge analogue à fort
potentiel en hydrocarbures. IVAbstract
Lithosphere extension and consecutive breakup above a melting mantle lead to the formation of
volcanic passive margins. All volcanic margins developed in continental areas subjected to long-term extension, leading to the formation of sedimentary basins. While these volcanic margins are usually offshore and are studied only by geophysical methods, the Greenland coasts offer an onshore proximal part of volcanic margins. The objective of this work is to the study of the spatio-temporal transition between a sedimentary basin to a volcanic-type passive margin. It considers the case of the geological example of the SEBaffin Bay area (the central west Greenland margin), especially its structural and thermal evolution.
The study area is characterised by a rifted sedimentary basin which evolves to a volcanic margin associated with the Eocene lithosphere breakup between the Greenland plate and North America. All the structures can be observed in an outcropping area of about 200x 300 km: the rift border faults along the basement, the tectonized sedimentary pile, the overlapping and sealing of the sedimentary basin by Palaeocene volcanic traps and the Eocene inner SDR whose development is coeval with the lithosphere breakup.The development of the Cretaceous/Lower Paleocene sedimentary basin is characterized by two
successive rifting episodes separated by a thermal subsidence period. The first rifting episode was initiated in the lower Cretaceous following ~N020E extension. This episode is poorly constrained and seems to be controlled by the inheritage structure of the Greenland Precambrian basement. The second rifting episode of Late Cretaceous presents an E-W to N060 extensional trend. This episode predates the extrusion of Paleocene hyalloclastites in a residual lacustrine basin. The transition from a sedimentary rifting "stage" to a volcanic margin stage is characterized by the concentration of deformation to the west (i.e. towards the oceanic crust). This syn-magmatic riftingepisode is characterized by the oceanward flexure of the thick piles of Paleogene basalts and the onset
formation of Seaward dipping reflectors (SDR) which establish the 3D structure. The development of the SDR is accommodated by arrays of continentward dipping detachment faults localized in the continent-ocean transition area.The syn-magmatic extensional trend is generally orthogonal to the margin flexure. This stage is
followed by a more homogenous N-S syn-magmatic extension, which presents an Eocene (C24) age.This extension is the result of the probable earliest stage of oceanization in the Baffin Bay and then a
global plate reorganisation in the North Atlantic area. A combined study of RockEval, vitrinite reflectance and magnetic mineralogy is performed from claystones samples collected in the area to assess the thermal evolution of sedimentary basin before and during magmatism. The RockEval and vitrinite reflectance indicated a predominance of type III organic matter and showed an oceanward increasing maturity, as a consequence of the increasing burial depth. The study of the isothermal remnant magnetization (IRM) at high and low temperatures and the study of magnetic susceptibility of claystones showed the existence of special magnetic assemblages with increasing burial. This indicator was used to constrain the thermal evolution combined to data fromRock-Eval and vitrinite reflectance. The results show that the sediments are immature to early mature,
implying a moderate impact of local magmatic intrusions in the maturation of organic matter. A thermo-structural model of the west Greenland margin is also presented and completed by the structural study of the analogue Vøring margin. VRemerciements
Au terme de ces quatre années de thèse, il s"agit de n"oublier personne à l"heure des
remerciements.Je tiens tout d"abord à exprimer ma reconnaissance à mon directeur de thèse Laurent Geoffroy
pour m"avoir donné l"occasion de réaliser ce mémoire et pour avoir répondu aux nombreuses
questions que je lui ai posées. Il a su, à la fois par ses précieux conseils et son coup de main,
orienter mes idées et stimuler mes réflexions tout au long de ce travail.Je remercie également mon codirecteur de thèse Charles Aubourg qui m"a montré différentes
techniques d"analyse et de détermination de la minéralogie magnétiques pendant mon séjour à
l"université de Cergy. Il a su, à distance, orienter mes réflexions pour une bonne exploitation
des résultats. Je tiens aussi à remercier Fatima Lagoun-Defarge pour la collaboration fructueuse qu"elle aaccepté de construire avec moi pour l"étude de la matière organique. Elle m"a présenté la
technique de RockEval ainsi que la détermination de la réflectance de la vitrinite. Son aide est
d"une importance cruciale pour mes travaux de recherches. Je voudrais remercier les membres de jury qui m"ont fait l"honneur de jurer mon travail. Parleurs travaux et leurs connaissances, Olivier Dauteuil et Françoise Bergerat étaient tout
désignés pour évaluer mon travail en un temps si court. Je remercie Laurent Gernigon qui a traversé l"Europe pour m"offrir ces commentaires. Enfin je remercie Nadine Ellouz- Zimmermann pour les questions qu"elle a soulevées, malgré leur difficulté. Un grand merci également à : Claude Gourmelin pour son soutient, sa bonne humeur et sescorrections ; Ramdan Aït pour son aide, en particulier au début de ma thèse ; tous les
membres du laboratoire de Géologie de l"université du Maine : Régis Mouges, Ludovic
Bodet, Gérard Cattanéo, Jean Pierre Gélard, Jean Baptiste Gressier, Jean Claude Mathieu, Adelinet Mathilde et tous les autres... Je remercie tous les amis du bâtiment des sciencesnaturelles de l"université du Maine (Dorothée, Romain..), les amis de Cergy et ceux
d"Orléans.Je tiens à remercier tous ceux qui ont participé de près ou de loin à l"élaboration de ce travail.
Il me tient à coeur de dédier ce mémoire d"abord à ma famille en Tunisie et je leurs dis que je
suis fier de leur offrir ce travail, ensuite à ma belle famille en France, qui m"a apporté un soutient moral important. Surtout je tiens à offrir ce mémoire à ma femme Nafissa, que je ne remercierai jamais assez pour son soutient moral et pour sa patience, et qui m"a accompagné dans ce projet, supporté mon tempérament, ma mauvaise humeur et mon stress de fin de thèse. VI