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

Programmes de financement: ANR COYOTES

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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.

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/

citation:

Abstract : The Comoros archipelago, located north of the Mozambique Channel between the African continent and Madagascar, is formed by the east-west alignment of Mayotte, Anjouan, Mohéli and Grande Comore islands, as well as numerous submarine structures. For decades, the origin of volcanism in this archipelago has been debated between the hypothesis of a hotspot and the hypothesis of lithospheric deformation. The major seismic and volcanic crisis initiated in 2018 in Mayotte and linked to the construction of the new submarine volcano, Fani Maoré, has once again revealed the need to further our current knowledge of the geology of the Comoros archipelago. This thesis therefore aims to understand the interactions between volcanism and tectonics during the evolution of the Comoros archipelago, and to explore their possible links with the regional geodynamic context and associated volcanism. To this end, we have combined potassium-argon dating and chemical analysis of a series of lava samples to provide a robust chronosequence of the age of Comoros volcanism. These samples were collected from a wide range of submarine and aerial volcanic structures throughout the archipelago during the SISMAORE (2020-2021) and SCRATCH (2021) oceanographic campaigns, and several field trips. The potassium-argon dating and geochemical analyses carried out on these samples have enabled us to clarify the chronology of volcanism north of the Mozambique Channel, in particular for the island of Mohéli and several previously little-known or unknown submarine edifices (Leven, Zélée and Geyser banks, Jumelles ridges and Mwezi province). The results obtained during this thesis enable us to reconstruct the evolution of the archipelago from the Late Miocene to the present day. The volcanotectonic activity of the Comoros Islands and the Zélée, Geyser and Leven banks is thus marked by a generalized volcanic phase initiated at 9-8 Ma. A volcanic lull is then observed between 3.5 and 2.5 Ma in the Comoros, and coincides with a phase of regional subsidence. Finally, another tectonic and magmatic phase begins at 3-2.5 Ma. It reflects the spreading and expansion of magmatism throughout the archipelago. This second phase gives the archipelago its main current morpho-bathymetric features, with the progressive development of NW-SE en-échelon structures, and the numerous submarine edifices extending towards the north of the archipelago. The entire Comoros archipelago, with its many newly characterized volcanoes, thus forms an east-west volcanic chain that extends from the Cenozoic volcanoes of Madagascar to the East African Rift System (EARS). The distinct phases of activity revealed in the Comoros since the Late Miocene coincide with kinematic changes observed at the boundary of the Lwandle and Somalia plates in the northern Mozambique Channel. The strong synchronicity observed between the volcano-tectonic activity of the Madagascar-Comoros chain and that of the EARS suggests that the two systems are controlled by common processes of lithospheric deformation and/or mantle upwelling.

Résumé : L’archipel des Comores, situé au nord du canal du Mozambique entre le continent africain et Madagascar, est formé par l’alignement, d’est en ouest, des îles de Mayotte, Anjouan, Mohéli et Grande Comore, ainsi que de nombreux édifices sous-marins. Depuis de nombreuses décennies, l’origine du volcanisme de cet archipel reste débattue entre l’hypothèse d’un point chaud ou celle de déformations lithosphériques. La crise sismique et volcanique majeure initiée en 2018 à Mayotte et liée à la construction du nouveau volcan sous-marin, Fani Maoré, a de nouveau révélé le besoin d’approfondir les connaissances actuelles sur la géologie de l’archipel des Comores. Cette thèse vise ainsi à comprendre les interactions entre le volcanisme et la tectonique au cours de l’évolution de l’archipel des Comores, et à explorer leurs éventuels liens avec le contexte géodynamique régional et le volcanisme associé. Pour ce faire, nous avons conjointement daté par la méthode potassium-argon et analysé la composition chimique d’une série d’échantillons de lave afin d’établir une chrono-séquence robuste de l’âge du volcanisme des Comores. Ces échantillons proviennent de nombreuses structures volcaniques sous-marines et aériennes de l’archipel qui ont été collectées lors des campagnes océanographiques SISMAORE (2020-2021) et SCRATCH (2021), et de plusieurs missions de terrain. Les datations potassium-argon et analyses géochimiques réalisées sur ces échantillons permettent de préciser la chronologie du volcanisme au nord du canal du Mozambique, en particulier celle de l’île de Mohéli et de plusieurs édifices sous-marins peu ou pas connus jusqu’alors (bancs du Leven, de la Zélée et de Geyser, rides des Jumelles et province de Mwezi). L’ensemble des résultats obtenus au cours de cette thèse permet de retracer l’évolution de l’archipel depuis la fin du Miocène jusqu’à l’Actuel. L’activité volcano-tectonique des îles des Comores et des bancs de la Zélée, de Geyser et du Leven est ainsi marquée par une phase généralisée de volcanisme initiée à 9-8 Ma. Une phase de quiescence volcanique est ensuite observée entre 3,5 et 2,5 Ma aux Comores, et coïncide avec une phase de subsidence régionale. Enfin, une autre phase tectonique et magmatique s’initie à partir de 3-2,5 Ma. Elle témoigne de la propagation et de l’élargissement du magmatisme qui affecte l’ensemble de l’archipel. Cette seconde phase confère à l’archipel ses principales caractéristiques morpho-bathymétriques actuelles avec le développement progressif des structures en-échelon NO-SE, et les nombreux édifices sous-marins s’étendant vers le nord de l’archipel. L’ensemble de l’archipel des Comores, avec ses nombreux édifices sous-marins nouvellement caractérisés, forme ainsi une chaîne volcanique d’orientation est-ouest qui s’étend des volcans cénozoïques de Madagascar jusqu'au système des rifts est-africains (EARS). Les phases d’activité distinctes révélées aux Comores depuis la fin du Miocène coïncident avec les modifications cinématiques observées à la frontière des plaques Lwandle et Somalie dans le nord du canal du Mozambique. La forte synchronicité constatée entre l’activité volcano-tectonique de la chaîne Madagascar-Comores et celle de l’EARS suggère donc que les deux systèmes sont contrôlés par des processus de déformation lithosphérique et/ou de remontée mantellique communs.

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

Citation: Charles Masquelet. Magmatisme, héritage et déformation autour de l’archipel des Comores, dans le bassin de Somalie. Implications géodynamiques. Sciences de la Terre. Sorbonne Université, 2023. Français. ⟨NNT : 2023SORUS613⟩. ⟨tel-04504620⟩

Abstract : The Comoros archipelago, located between Madagascar and Mozambique, experiences significant regional seismic activity. The volcanic island of Mayotte, underwent a major seismic-volcanic crisis in 2018, related to the formation of a new submarine volcanic structure, Fani Maoré, 50 km off its coast. Various hypotheses have been proposed to explain both the origin of the archipelago and its recent evolution. However, both the age of the formation of the archipelago's islands and the nature of the crust in the Comoros basin are poorly constrained, largely due to a lack of data. The objective of this thesis is to place recent seismic-volcanic activity in the context of regional geodynamics and, in particular, to determine the volcano-tectonic evolution of the Comoros archipelago. Geophysical data, mainly acquired during the SISMAORE oceanographic cruise (2020-2021), were used to image and describe the architecture of sedimentary, volcanic, sequences and crustal domains around the Comoros archipelago at both local and regional scales. The interpretation of the reflection seismic profiles over the new volcanic structure, Fani Maoré, allowed for imaging the internal structure of the volcano and identifying pre-eruptive paleosurfaces by identifying recent magmatic materials. A consistent seismic stratigraphy of the Comoros basin was established to provide age constraints on volcanic events in the area using the limited well data available in the Comoros basin and the Morondava basin. This seismic stratigraphy revealed that the construction of Mayotte Island began around 28 million years ago, significantly revising previous land-based dating of 10 million years. In the second part, through the analysis of all reflection seismic profiles acquired during the SISMAORE cruise, the different volcanic construction phases of the Comoros archipelago's islands were observed and constrained in age, based on the seismic stratigraphy. At least three major construction phases of Mayotte Island were characterized 28, 22, and 9 million years ago. Similarly, the beginning of the main construction phase for Mohéli (9 million years ago), Anjouan (4 million years ago), Grande Comore (2 million years ago), as well as the Geyser and Zélée Bank (32 million years ago) and the volcanic ridges of the Jumelles (4 million years ago) were identified. The onset of volcanic activity becomes progressively more recent from the easternmost to the westernmost end of the archipelago. This chronological sequence of volcanic activity shares several similarities with the temporal evolution of magmatism in Madagascar and the East African Rift. Magmatic activity began in the Upper Oligocene, followed by a period of quiescence in the Middle Miocene, and then resumed at the end of the Miocene, coinciding with widespread deformation along the East African Rift, including its offshore branches and Madagascar. Thus, the Comoros archipelago may correspond to a branch of the East African Rift initiated as early as the beginning of the Miocene. Finally, in the third part, it is demonstrated that the crust around the Comoros is of an oceanic nature through the study of reflection and refraction seismic profiles. Mapping the depth of the top of the oceanic crust reveals a deeper crustal domain south of the archipelago compared to the north. By correlating fracture zone mapping, the average direction of the Comoros archipelago's islands, and the presence of crustal reactivation involving volcanism, it is suggested that ancient fracture zones in the direction of Somalian basin accretion have at least partially controlled the formation of the Comoros archipelago.

Résumé : L’archipel des Comores, situé entre Madagascar et le Mozambique, est le siège d’une activité sismique régionale importante. L’île volcanique de Mayotte a notamment subi, en 2018, une crise sismo-volcanique majeure liée à la construction d’un nouvel édifice volcanique sous-marin, Fani Maoré, à 50 km de ses côtes. Diverses hypothèses ont été émises pour expliquer aussi bien l’origine de l’archipel que son évolution récente. Or, tant l’âge de la mise en place des iles de l’archipel que la nature de la croute dans le bassin des Comores sont mal contraints ; ce qui s’explique essentiellement par un manque de données. L’objectif de cette thèse est de replacer l’activité sismo-volcanique récente dans le contexte géodynamique régional et notamment de déterminer l’évolution volcano-tectonique de l’archipel des Comores. Nous avons utilisé les données géophysiques principalement acquises lors de la campagne océanographique SISMAORE (2020-2021), afin d’imager et de décrire l’architecture des domaines sédimentaires, volcaniques et crustales autour de l’archipel des Comores à l’échelle locale et régionale. L’étude du profil de sismique reflexion passant au-dessus du nouvel édifice volcanique Fani Maoré, a permis d’imager la structure interne du volcan et de retrouver une paléo surface pré-éruptive en identifiant le matériel magmatique récent. Nous avons identifié la présence d’une couche volcanique épaisse, correspondant au pied de l’édifice volcanique de l’île de Mayotte reposant sur une couche sédimentaire de 2.5 km. Une stratigraphie sismique cohérente du bassin des Comores a été réalisée afin d’apporter des contraintes en âges sur les évènements volcaniques de la zone en utilisant les rares données de puits dans le bassin des Comores et le bassin de Morondava. Cette stratigraphie sismique a permis de contraindre l’âge du début de construction de l’île de Mayotte à 28 Ma, ce qui révise considérablement les datations faites à terre, datant l’île à 10 Ma. Dans une seconde partie, nous avons observé et identifié, grâce à l’analyse de l’ensemble des profils de sismique réflexion acquis durant la campagne SISMAORE, les différentes phases volcaniques de construction des îles de l’archipel des Comores. Ainsi, nous avons caractérisé au moins 3 phases de construction majeures de l’île volcanique de Mayotte datées à 28, 22, et 9 Ma, grâce à la stratigraphie sismique. De même, nous avons identifié et daté le début de la phase principale de construction des îles de Mohéli (9Ma), Anjouan (4Ma) et Grande Comore (2 Ma) ainsi que du banc de Geyser et Zélée (32 Ma) et des rides volcaniques des Jumelles (4Ma). Le démarrage du volcanisme est donc de plus en plus récent en allant de l’extrémité Est vers l’Ouest de l’archipel. Cette séquence chronologique du début du volcanisme présente plusieurs similarités avec l’évolution temporelle du magmatisme à Madagascar et dans le Rift Est Africain. L'activité magmatique a débuté à l'Oligocène supérieur, suivie d'une période de quiescence au Miocène moyen, puis a repris à la fin du Miocène, coïncidant avec la déformation généralisée le long du Rift Est Africain, y compris ses branches offshores et Madagascar. L’archipel des Comores pourrait ainsi correspondre à une branche du Rift Est Africain initiée dès le début du Miocène. Enfin dans une troisième partie, nous montrons que la croûte autour des Comores est de nature océanique grâce à l’étude des profils de sismiques réflexion et réfraction. La cartographie de la profondeur du toit de la croûte océanique montre un domaine crustal plus profond au Sud de l’archipel qu’au Nord. En corrélant la cartographie de zones de fractures, la direction moyenne des îles de l’archipel des Comores et la présence de réactivation crustale impliquant du volcanisme, nous suggérons que les anciennes zones de fractures dans la direction d’accrétion du bassin de Somalie ont contrôlés, au moins en partie, la mise en place de l’archipel des Comores.

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

Nicolas MERCURY

Co-direction : Jérôme VAN DER WOERD (ISTE - Université de Strasbourg) ;

Co-encadrement : Didier Bertil (BRGM), Anne LEMOINE (BRGM), Cécile DOUBRE (ISTE-Université de Strasbourg)

Laboratoire d'acceuil: BRGM

De Septembre 2019 au 15 décembre 2023

co-financement : BRGM & Université de Strasbourg

Citation: Nicolas Mercury. Analyse et contexte de la sismicité des 10 premiers mois de la crise sismo-volcanique de Mayotte (2018-2019). Sciences de la Terre. Université de Strasbourg, 2023. Français. ⟨NNT : 2023STRAH008⟩. ⟨tel-04606826⟩

Abstract : The building of the 4th active French volcano, Fani Maore, 50 km east of Mayotte, is accompanied by an unprecedented seismic crisis in this region, between May 10, 2018 and today. The highest rate of seismicity and earthquakes of strong magnitude (up to Mw 5.9) are concentrated during the first months of activity, while the monitoring networks are insufficient.This work uses seismological data from May 10, 2018 to February 24, 2019 in order to build a homogeneous catalog and lower location uncertainties. The analysis of this seismicity highlights the uniqueness of the seismo-volcanic phenomenon east of Mayotte, with two distinct mechanically different swarms and a migration of magma over several tens of kilometers from a deep reservoir. This work seeks to integrate the activity of the east-Mayotte volcanic chain in the regional context, and presents a study of seismicity along the Comoros archipelago.

Résumé: La mise en place du 4e volcan français actif, le Fani Maore à 50 km à l’est de Mayotte estaccompagnée d’une crise sismique sans précédent dans cette région, entre le 10 mai 2018 et aujourd’hui. Le taux de sismicité le plus élevé et les séismes de magnitude forte (jusqu’à Mw 5.9) se concentrent lors des premiers mois d’activité, alors que les réseaux de surveillance sont insuffisants.Ce travail reprend les données sismologiques du 10 mai 2018 au 24 février 2019 afin de construire un catalogue homogène et réduire les incertitudes de localisation. L’analyse de cette sismicité met en évidence l’unicité du phénomène sismo-volcanique à l’est de Mayotte, avec deux essaims distincts mécaniquement différents et une migration du magma sur plusieurs dizaines de kilomètres depuis un réservoir profond.Ce travail cherche à intégrer l’activité de la chaîne volcanique est-Mayotte dans le contexte régional, et présente une étude de la sismicité le long de l’archipel des Comores.

Albane CANVA

Supervisors: Aurélie Peurefitte, Isabelle Thinon (BRGM),

Laboratoire d'acceuil: BRGM

De Juin 2023 au Mars 2024

Programmes de financement: ANR COYOTES