COmoros & maYotte : vOlcanism, TEctonics and Seismicity

Pierre BOYMOND

Directeur de thèse: Feuillet Nathalie (IPGP)

Encadrement: Isabelle Thinon (BRGM), Luc Sholtes (UAC)

Laboratoire d'acceuil: IPGP- Marine Geoscience – UMR7154

De Septembre 2020 au 03 Avril 2024

Abstract: The Comoros archipelago is located in the North Mozambique Channel between Madagascar and East Africa. It includes four volcanic islands (Grande Comore, Moheli, Anjouan and Mayotte from West to East), as well as submerged volcanic features such as the Zélée-Geyser banks, the Vailheu seamount, and the Jumelles, Domoni, Chistwani, Safari and East Mayotte volcanic chains. The volcano-tectonic activity, corroborated by the seismicity, is located inside a 200 km-wide by 700 km-long corridor that constitutes an immature boundary between two lithospheric plates, which could play the role of a transfer zone between the East African Rift System (EARS) and the rift of Madagascar. In this PhD, we investigated the volcano-tectonic activity of the archipelago through a multiscale and multimethod approach decomposed in two parts. First, based on the SISMAORE bathymetry, acoustic backscatter, processed 48-channel seismic reflection and sub-bottom profiler data, we identified and mapped several sets of volcano-tectonic structures in the Mwezi and N'Drounde volcanic fields (faults, dykes, sills, cones, lava flows…). Their analysis allows for proposing a spatio-temporal evolution of the volcanic fields, a detailed map of the volcano-tectonic structures of both Mwezi and N'Droundé volcanic provinces, as well as a discussion about the local and regional geodynamic context. Secondly, based on numerical simulations, we studied the initiation and development of structures accommodating shear strain deformation between two rifts. To do so, we utilized a discrete element modeling approach to simulate the lithosphere below the Comoros archipelago. The lithosphere is represented by a 360x360x55 km brittle layer composed of 500,000 discrete elements (DEs) bonded together by elastic-brittle bonds resting on a fluid like, inviscid asthenosphere. The boundary conditions of the models are chosen to mimic the geodynamic settings of the North Mozambique Channel region. Through numerical experiments, we can distinguish four phases for the structural development of an en-échelon structural pattern that accommodates strains. The N145°E en-échelon structures develop from their centers toward the North-West and South-East simultaneously. Each en-échelon structure consists of two families of segments presenting two main orientations (N160°E and N110°E) with relay zones between some segments. Through the net displacement field, as well as its curl, shear and divergence, we show that both types of segments work in transtension, with a minor left-lateral strike for the ones oriented N160°E and a minor right-lateral strike for the ones oriented N110°E. This is consistent with an overall N45°E tectonic extension in the center portion of the model. The comparison between the structural features created by the numerical simulations and the volcano-tectonic structures of the Comoros archipelago highlights similarities in the development, geometry, orientations, and mechanical characteristics of those structures. Those correspondences not only allow for better constraining the geodynamics of the North Mozambique Channel, but also to discuss the control tectonic structures exert on volcanism in the archipelago, and the origin of this volcanism.

Résumé : L'archipel des Comores est situé dans le Canal Nord Mozambique, entre Madagascar et l'Afrique de l'Est. Il est constitué de quatre îles volcaniques ainsi que de structures volcaniques submergées. La déformation volcanique et tectonique, soulignée par la sismicité, est localisée à l'intérieur d'un couloir de 200 km de large par 700 km de long jouant le rôle d'une zone de transfert entre le système du rift est-africain (EARS) et le rift de Madagascar. Dans cette thèse, nous avons étudié l'activité volcano-tectonique de l'archipel à travers une approche multi-échelle et multiméthode décomposée en deux parties. Tout d'abord, à partir des données de bathymétrie SISMAORE, de rétrodiffusion acoustique, de sismique réflexion 48 canaux et de sondeur de sédiments, nous avons identifié et cartographié plusieurs ensembles de structures volcano-tectoniques dans les champs volcaniques de Mwezi et de N'Drounde. Leur analyse permet de proposer une évolution spatio-temporelle des champs volcaniques, une carte détaillée des structures volcanotectoniques ces provinces, ainsi qu'une discussion sur le contexte géodynamique local et régional. Deuxièmement, grâce à des simulations numériques, nous avons étudié l'initiation et le développement de structures accommodant la déformation cisaillante entre deux rifts. Pour ce faire, nous avons utilisé une approche de modélisation par éléments discrets pour simuler la lithosphère sous l'archipel des Comores. La lithosphère est représentée par une couche fragile de 360x360x55 km composée de 500 000 éléments discrets (DE) liés entre eux par des liaisons élastiques-fragiles reposant sur une asthénosphère fluide et inviscide. Les conditions aux limites des modèles sont choisies pour imiter les conditions géodynamiques de la région du canal Nord Mozambique. Grâce à des expériences numériques, nous sommes en mesure de distinguer quatre phases pour le développement de structures en-échelon accommodant la déformation. Ces structures sont orientées N145°E et se développent à partir de leurs centres vers le nord-ouest et le sud-est simultanément. Chaque structure en-échelon est constituée de deux familles de segments présentant deux orientations principales (N160°E et N110°E) avec des zones de relais entre certains segments. Grâce au champ de déplacement net, ainsi qu'à sa composante rotationnelle, cisaillante et divergente, nous montrons que les deux types de segments sont en transtension, avec un léger décrochement latéral gauche pour ceux orientés N160°E et droit pour ceux orientés N110°E. Ceci témoigne d'une extension tectonique globale N45°E dans la partie centrale du modèle. La comparaison entre les structures créées par les simulations numériques et la déformation volcano-tectonique des Comores met en évidence des similitudes dans le développement, la géométrie, les orientations et les caractéristiques mécaniques de ces structures. Ces correspondances permettent non seulement de mieux contraindre la géodynamique du Canal Nord Mozambique et la déformation volcano-tectonique des Comores, mais aussi de discuter du contrôle exercé par la tectonique sur le volcanisme, ainsi que les origines de ce volcanisme.

Programmes de financement: ANR COYOTES

Anais RUSQUET

Co-direction : Laurent Michon, Professeur (50%), Vincent Famin, maître de conférences HDR (50%)

Co-encadrement : Xavier Quidelleur (GEOPS, Paris Saclay), François Nauret (LMV, Clermont-Ferrand)

Laboratoire d'acceuil: Laboratoire Géosciences Réunion (LGSR) - Université de La Réunion/IPGP

de Octobre 2020 au 18 Octobre 2024

Programmes de financement : ANR COYOTES, INSU Tellus MAYVOLTE, INTERREG HATARI/

Descriptif : L’archipel des Comores et de Mayotte anime une controverse scientifique de longue date autour de l’origine de son volcanisme, entre les partisans d’une source mantellique de type point chaud et ceux défendant une origine liée à la dynamique de la lithosphère. Cette controverse cristallise sur les Comores un débat plus général sur la notion même de « point chaud », dont la nature profonde ou superficielle n’est toujours pas tranchée. Les arguments qui permettent d’interpréter les Comores comme un point chaud sont d’une part la composition isotopique He-Sr-Nd-Os-Pb de type « Enriched Mantle » de certaines laves émises dans l’archipel, et d’autre part le degré d’érosion des îles suggérant une progression temporelle du volcanisme. Mais la présence d’une sismicité régionale le long de l’archipel des Comores, reliant la déformation extensive du Rift Est-Africain à celle de Madagascar, suggère que le volcanisme comorien peut aussi être la conséquence passive d’une déformation lithosphérique. Le volcanisme des Comores et de Mayotte résulte-t-il donc d’un volcanisme de point chaud, d’une zone de faiblesse intraplaque, ou de la limite nord entre les plaques Lwandle et Somalie ? Faut-il relier ce volcanisme au Rift Est-Africain et/ou à celui du nord de Madagascar ? Les données manquent pour étayer l’un ou l’autre de ces scenarii. La crise sismique et volcanique que subit actuellement Mayotte remet au centre de l’actualité ces questions sur l’origine du volcanisme comorien. Le sujet de thèse abordera ces questions sous trois angles. (1) L’angle de la tectonique régionale, à travers la reconnaissance des structures à terre, et leur relation avec les structures en mer identifiées par ailleurs. L’objectif est de déterminer si les déformations déjà décrites à Mayotte se poursuivent à Anjouan, en Grande Comore et au nord de Madagascar, et si ces déformations sont compatibles avec une cinématique régionale. (2) L’angle de la temporalité du volcanisme en lien avec la tectonique, à travers des datations K-Ar. L’idée sous-jacente est de déterminer si l’archipel suit une construction synchrone, une progression temporelle, et/ou si le volcanisme comorien est temporellement lié à celui du Rift Est-Africain ou du nord de Madagascar. (3) L’angle de la source du magmatisme à travers l’analyse de la signature isotopique Sr-Nd-Pb des magmas émis au cours du temps le long de l’archipel, et la comparaison de cette signature avec celle des magmas du Rift Est-Africain et du nord de Madagascar. L’idée est de déterminer si des similitudes existent au sein de ces zones de magmatisme régional. La thèse est financée par l’ANR COYOTES et s’inscrit donc dans un programme regroupant plusieurs équipes à l’échelle nationale avec lesquelles les interactions seront fortes. Cette thèse implique une collaboration étroite avec d’autres doctorants et chercheurs étudiant la géodynamique comorienne par des méthodes complémentaires.

Mots-clé : Archipel des Comores, volcanisme de point chaud, déformation lithosphérique, tectonique régionale, frontière de plaques, Lwandle, Somalie, Rift Est-Africain, géochronologie, géochimie isotopique

Charles MASQUELET

Co-direction : Sylvie LEROY (ISTeP) ; Daniel SAUTER (EOST)

Co-encadrement : Nicolas CHAMOT-ROOKE (ENS); Isabelle THINON (BRGM)

Laboratoire d'acceuil: ISTeP - Sorbonne Université

De Septembre 2020 au 08 décembre 2023

Programmes de financement : ANR COYOTES

Descriptif : Mayotte est considérée comme étant l’île la plus ancienne de l’archipel des Comores, d’âge Miocène à Holocène. L’archipel, d’origine volcanique, est situé entre le bassin océanique de Somalie d’âge Crétacé et le bassin des Comores d’âge Mésozoïque dont la nature crustale est encore débattue. La cause du volcanisme des Comores reste elle-même controversée, entre point chaud et anomalie thermique régionale associés à une composante tectonique. La connaissance géologique limitée du territoire maritime de la région des Comores n’a pas permis de statuer sur le contexte géologique et géodynamique de cette région, laissant sans réponse les questions suivantes : sur quelle architecture de bassin se construit la nouvelle structure volcanique sous-marine active, et plus généralement comment s’est installé l’archipel des Comores ? Où se situe la Transition Océan-Continent dans le Nord du Canal du Mozambique ? L'archipel des Comores est-il associé à une limite de plaques naissante et/ou à une zone de déformation intra-plaque diffuse ? S'agit-il d'un phénomène magmatique isolé et/ou en relation avec un événement tectonique (activation ou réactivation de failles) ? Quel est le rôle de l’héritage dans la crise sismo-volcanique actuelle et les déformations récentes ? Quelle est l'évolution du contexte géodynamique régional Somalie/Afrique/Madagascar ? L'état de contraintes actuel est dominé par un régime extensif globalement Est Ouest lié au système de Rifts Est Africain –REA- (e.g. Calais et al., 2006; Delvaux and Barth, 2010; Stamps et al., 2018). A partir de mesures géodésiques, Saria et al. (2014) et Déprez et al. (2013) ont proposé des modèles cinématiques actuels du REA intégrant trois microplaques (Victoria, Rowuma et Lwandle) intercalées entre les plaques nubienne et somalienne. La limite entre les plaques Rowuma et Lwandle est associée à la ride de Davie à l’ouest. La plaque Lwandle dérive vers l’est par rapport à l’Afrique. Stamps et al. (2018) proposent une limite nord de la plaque Lwandle au niveau de l’archipel des Comores avec un régime actuel de déformation transtensif alors que Saria et al. (2014) la place bien plus au Sud. La limite nord de la plaque Lwandle est peu contrainte. Il est à noter que selon Stamps et al. (2018), le nord du canal du Mozambique (Archipel des Comores) et Madagascar sont identifiés comme des zones de déformation, mais peu de données existent pour confirmer cela. Sur la base de ces éléments, est-ce que l’archipel des Comores est une limite de plaque ou une zone de déformation intraplaque ? Quelles structures accommodent cette déformation ? Comment cette déformation s’enregistre dans la couverture sédimentaire et la croûte de la région des Comores ? La campagne SISMAORE programmée en décembre 2020- janvier 2021, comblera ce déficit de connaissances régionales, une condition indispensable pour comprendre l’activité sismo-volcanique exceptionnelle actuelle et la replacer dans un schéma géodynamique plus global. De plus, le projet de thèse s’appuiera également sur les dernières observations effectuées à terre et en mer (projet TELLUS INSU/CNRS SISMAYOTTE, campagnes MAYOBS, suivi de crise, …) et les collaborations au sein du projet ANR-COYOTES. Grâce aux nouvelles données, il sera possible d'imager le fond-marin jusqu'à la base de la croûte, en utilisant plusieurs types de sismique réflexion. La sismique rapide permettra l'imagerie des structures tectoniques, volcaniques et sédimentaires superficielles et la sismique réflexion profonde de l'ensemble de la couverture sédimentaire, du socle acoustique et du Moho. La structure crustale des bassins de Comores et de Somalie sera ainsi renseignée et notamment la transition entre ces deux basins. Des données de sismiques existantes dans la région (anciennes campagnes, données industrielles) complèteront la base de données et les interprétations en permettant d'élargir l'étude à une échelle plus régionale.

Mots-clé : Nord-Mozambique, Transition Ocean-Continent, héritage, déformation, tectonique régionale, sismique réflexion multitrace (traitement et interprétation), magnétisme et gravimétrie.

Albane CANVA

Supervisors: Aurélie Peurefitte, Isabelle Thinon (BRGM),

Laboratoire d'acceuil: BRGM

De Juin 2023 au Mars 2024

Programmes de financement: ANR COYOTES