1  Contexte scientifique et programmatique de la campagne

Le projet, COLMEIA (COLd Mantle Exhumation and Intra-transform Accretion), a eu l'objectif d'étudier en détail l'évolution temporelle de la frontière de plaque complexe de St. Paul, et l'origine du massif de péridotites de St-Pierre-St. Paul, dans l'Atlantique Equatorial. Il a permis de cartographier avec bathymétrie, magnétisme, gravimétrie et sismique rapide une grande partie du système d'accrétion intra- transformant de St. Paul. Des dragages et échantillonnages de la colonne d'eau ont été également effectués afin de cartographier l'extension des affleurements de péridotites, basaltes et gabbros dans la zone, d'étudier les processus magmatiques, de caractériser le manteau et de repérer des éventuelles sorties de fluides hydrothermaux. Le projet a été conçu en collaboration étroite avec les collègues brésiliens, la dorsale étant dans la ZEE brésilienne. La campagne a eu lieu en janvier/février 2013. Une deuxième campagne, COLMEIA-HYDRO, a eu lieu à bord du NPo Araguari de la Marine du Brésil en Mai 2014 pour récupérer les mouillages des hydrophones.

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Figure 1: Routes du navire lors de la campagne, avec la bathymétrie acquise, ainsi que les sites de dragages, CTDs et mouillage d'hydrophones.

2  Rappel des objectifs

Cette partie de l'Atlantique est reconnue depuis de nombreuses années comme étant une région à manteau « froid », c'est-à-dire, avec faible production de basaltes et faibles taux de fusion partielle (p.ex. Schilling et al., 1995; Bonatti et al. 1993). La zone « anormale » engloberait l'ensemble des grandes zones de fractures équatoriales, dont le système de Saint Paul, qui se caractérise par la présence d'une grande ride de péridotites affleurant au niveau de la mer (ilots de St. Pierre et St. Paul, formés par des péridotites mylonitisées et serpentinisées). Les îlots ont été  étudies par des équipes brésiliennes, qui ont mis en évidence une surrection d'environ 1 mm/an (Campos et al., 2010). Les travaux de Schilling et de Bonatti suggéraient que les faibles taux de fusion issus de l'analyse des basaltes échantillonnes à l'axe et la grande quantité de péridotites présente dans la zone ne seraient pas le résultat uniquement de l'effet thermique des grands décalages de l'axe de la dorsale, mais aussi liés à la présence d'un manteau « anormal ». L'analyse du système Rh-Os sur des échantillons de péridotites obtenus sur les flancs de la ride de péridotites de St. Pierre-St. Paul suggèrerait que le manteau anormal résulterait de la présence de fragments résiduels de lithosphère de l'ancien océan Japetus, entrés en subduction (Sichel et al., 2008). Une étude récente sur la pétrologie des mêmes échantillons (Brunelli et Seyler, 2010) semble soutenir ce modèle. Toutefois un modèle faisant appel à des fragments de lithosphère subcontinentale délaminés et incorporés dans le manteau ne pourrait pas être écarté.

La formation de la lithosphère océanique au niveau des dorsales lentes est un processus hautement variable dans le temps et l'espace, avec des parties à forte dominance magmatique et d'autres où des roches profondes sont mises à l'affleurement. Les portions de dorsale où ces roches affleurent sont en général associées à des discontinuités axiales, pas forcement transformantes (p.ex. Dannowski et al., 2010). Malgré la présence de péridotites sur les flancs de ces structures, appelées « core complexes », les forages IODP ont montré que leur coeur  est composé de gabbros. Le modèle de Dannowski et al (2010) propose une explication pour ces observations en apparence contradictoires, formulant une hypothèse de variabilité spatiale dans la structure de ces corps liée à la présence ou pas de magma en profondeur. Les « core complexes » ne sont donc pas le résultat d'une accrétion totalement amagmatique, puisque le volume principal de ces structures est composé de gabbros. La présence de larges affleurements de péridotites sur la bordure nord du système de St. Paul suggère, contrairement aux « core complexes », un système fortement amagmatique (dit de manteau froid). L'une des questions était donc de savoir si la ride de St. Pierre-St. Paul était un évènement localisé, lié à la présence de la faille transformante, ou alors si des affleurements de péridotites constituaient la majorité du plancher de cette partie de l'Atlantique. Dans ce dernier cas, nous aurions ici un « end member » des processus de l'accrétion.

3  Principaux résultats obtenus

Les données bathymétriques et les roches draguées pendant la campagne COLMEIA montrent que l'idée d'un système d'accrétion amagmatique ne peut pas être appliquée à l'ensemble du système Saint-Paul. La variabilité importante des styles d'accrétion à l'intérieur du système de St. Paul montre que les processus de formation de la lithosphère océaniques y sont très variables et complexes, fonction à la fois de la nature du manteau, de la lithosphère voisine, et des contraintes locales (présence de grands décalages, obliquité).

Les segments intra-transformants (ITR) sont effectivement courts et étroits, avec des vallées axiales exceptionnellement profondes. Les profondeurs axiales sont en dessous de 4000 m en moyenne, et atteignent 5400 m dans certains bassins nodaux. Les rides néo-volcaniques sur le plancher de la vallée axiale sont peu définies, et quelques volcans circulaires ont été observés dans les vallées axiales. Les reliefs hors-axe sont très variables d'un segment à un autre. Le segment nord est le plus volcanique du système St. Paul (Figure 2). Il présente une asymétrie Ouest-Est, avec une série d'OCCs faillés et une croûte gravimétrique mince sur le flanc Nord-Ouest, en position de Inside corner, et une série de collines abyssales et une croûte normale sur le flanc Nord-Est. La partie Sud-Ouest est associée à des collines abyssales étroites et courbées, peu définies, et à une croûte normale. Le flanc sud-est est, quant à lui, associé à une croûte magmatique mince, peu de failles et une morphologie irrégulière, mais aucun détachement n'a été identifié. Il s'agit donc d'un segment faiblement magmatique, mais présentant un style volcanique qui est surprenant, considérant sa taille et les décalages axiaux qui le bordent (~300 et 190 km au nord et au sud).

Figure 2. Bathymétrie et interprétation structurale du segment nord et les épaisseurs de croûte gravimétrique associées.

Le segment central (Figure 3) est le moins magmatique du système (Bebin, M2 2018). Il présente des collines de péridotites sur les deux flancs de la vallée axiale, très obliques, associées à une croûte mince. Des dragages confirment la présence de péridotites abondants sur ces structures et la presque absence de gabbros. Sur les deux flancs, plus loin de l'axe, une croûte mince est associée à des zones à topographie plate. Cette morphologie suggère un fonctionnement en style « smooth sea floor », avec un taux de fusion très faible, une croûte magmatique absente (ou presque), une forte obliquité des structures et un fonctionnement en failles de détachement alternées entre les deux flancs de la dorsale. Au sud, ce segment est très asymétrique avec un long et étroit OCC sur le flanc sud-ouest, bordé par des failles obliques près de l'axe, associé à des épaisseurs de croûte un peu plus grandes que la moyenne. Ce détachement est ancien et inactif actuellement. Le flanc sud-est montre une croûte d'épaisseur normale mais très peu de failles et pas de collines abyssales. Ce type de fonctionnement n'avait pas encore été décrit pour une dorsale lente, où les styles les moins magmatiques correspondent à des OCCs et à la présence de gabbro en profondeur.

Figure 3. Bathymétrie et interprétation structurale du segment central et les épaisseurs de croûte gravimétrique associées.

Le segment sud est fortement asymétrique. Il montre un fonctionnement en faille de détachement asymétrique depuis environ cinq millions d'années et même plus, avec une succession de surfaces de détachement, certaines intensément faillées et déformées (Vincent, 2016 ; Vincent et al., 2023).  Chaque détachement s'étend sur toute la longueur du segment. L'accrétion asymétrique est compensée par une série de petites relocalisations de l'axe d'accrétion au niveau de l'ancienne surface de détachement, avec une phase magmatique mineure et de relative courte durée et formation d'une nouvelle faille de détachement (Figs. 4 et 5). L'accrétion est ici à dominance tectonique, comme l'on s'y attendait, avec très peu de magmatisme et absence de collines abyssales bien définies. Nous avons mis en évidence une réduction progressive de la production magmatique à l'axe, avec un passage d'un mode de fonctionnement en Oceanic Core Complex à coeur gabbroïque vers des collines de péridotite, semblables à celles observées dans la dorsale Sud-Ouest Indienne. La phase récente est caractérisée par des détachements sur les deux flancs de la dorsale, mettant en évidence un début de fonctionnement en flip-flop  (Vincent et al., 2023).

Figure 4. Bathymétrie et interprétation structurale du segment sud et les épaisseurs de croûte gravimétrique associées.

Figure 5. Représentation des principaux traits structuraux du segment sud. Les différents détachements sont figurés en des couleurs différentes.

Un résultat majeur est la mise en évidence de contraintes compressives dans une large zone, qui provoquent la surrection du massif de Saint Paul. Une déformation tectonique intense est attestée par la présence importante de mylonites d'origines ultramafiques et mafiques, obtenues par dragage sur une très large zone de cisaillement et de compression (Figure 6). Des failles inverses ont été imagées par la sismique et les modèles gravimétriques confirment la présence d'une large couche de faibles densités, atteignant par endroits 12 km d'épaisseur, interprétée comme étant en partie du manteau serpentinisé. Au coeur  de ce système transpressif, la gravimétrie révèle une zone de manteau peu serpentinisé au niveau des îlots de St. Pierre et St. Paul, en accord avec les roches observées. Les contraintes transpressives sont liées à des décalages de la faille transformante dans sa portion ouest, formant une succession de step overs (Figure 6). Ces décalages sont liés à la propagation du segment de la dorsale médio-atlantique situé au nord de St. Paul dans la lithosphère du système transformant, zone où le contraste d'âge atteint 20 millions d'années (Figure 7). La propagation a été déclenchée par un changement cinématique d'environ 5 degrés il y a dix millions d'années et entretenue par une accrétion particulièrement volcanique et robuste (Maia et al., 2016). Ce comportement particulier est dû à la présence d'un manteau fertile au nord de St. Paul, du fait de la présence de l'anomalie thermo-chimique de Sierra Leone. Ce même manteau alimente le segment intra-transformant nord, ce qui explique sa morphologie très volcanique. Ce schéma a été confirmé par l'analyse des basaltes échantillonnés lors de la campagne et persiste sur au moins dix millions d'années.

Figure 6. Bathymétrie et synthèse pétrologique des échantillons obtenus sur la ride d'Atoba et le segment intra-transformant nord.

Figure 7. Schéma évolutif de la faille transformante nord su système de St. Paul, montrant les différentes étapes de la formation de la ride d'Atoba.

Prigent (M1, M2 2016, 2017)  a pu mettre en avant la distinction entre les trois domaines de composition du manteau source: l'ITR nord est contaminé par le point chaud de Sierra Leone et il l'était encore plus il y a quelques millions d'années, comme le révèlent des échantillons de collines abyssales (Figure 8). La pente sur les REE lourdes indique du grenat à la source, donc une fusion partielle dans un manteau plus profond, comme pour un point chaud.  Le segment sud ressemble à la MAR au sud de St. Paul. L'ITR central est distinct des deux autres. Il est intermédiaire en traces mais appauvri pour les isotopes. Il y a donc un ajout récent dans le manteau supérieur qui a enrichi les traces mais ne se traduit pas encore dans les isotopes. Le système de St. Paul ne se situe donc pas au dessus d'une zone de manteau froid, mais plutôt à la transition entre un domaine mantellique fertile, au nord, et un manteau « froid », au sud. La nature du manteau sous-jacent, enrichi sous le segment nord et   plus appauvrie sous les segments central et sud explique au premier ordre les variations dans le style de l'accrétion. Le segment central présente, en plus, une probable influence cumulée des deux grands décalages transformants qui le bordent. Il en résulte un segment particulièrement froid (Maia et al., en préparation).

Figure 8. Composition isotopique des basaltes des segments de St. Paul et de la MAR au nord et au sud du système.

L'analyse des mylonites et ultramyonites, échantillonnés le long de la ride d'Atoba montre que la déformation liée à la mise en place de cette structure a été acquise en parte à des grandes profondeurs et hautes températures (Bickert et al., article en révision). Les profondeurs déduites sont en excellent accord avec l'épaisseur de la couche à faible densité gravimétrique et avec la profondeur maximale des séismes (travail en cours). Ce travail a permis de définir de nouvelles lois de déformation pour les ultramylonites du manteau à haute température et montre comment les pyroxènes et les olivines partagent un mécanisme de déformation et une orientation du réseau cristallin communs à des vitesses de déformation et à des températures élevées en présence de fluides. Ce travail a permis également de définir le profil de température et d'établir les contraintes mécaniques sur la déformation le long d'un domaine transformant traversant toute la section lithosphérique.

Les données d'hydroacoustique du réseau COLMEIA (3 instruments opérationnels sur les 5 déployés) ont été utilisées par des biologistes marins (équipes de l'observatoire de Chizé, France, du Museum d'Histoire Naturelle de Rio et de l'UFRGN, Natal) pour l'étude des schémas de migration des grandes baleines. Les résultats montrent la présence de la baleine bleue antarctique au niveau de l'Atlantique Equatorial (Samaran et al., 2019) ainsi que de la baleine d'Omura (Moreira  et al., 2020). Ces deux identifications constituent une « première » pour ces deux types de grandes baleines dans la région de l'Atlantique Equatorial. Ces données ont été utilisées également dans une étude sur la distribution des vitesses sismiques dans l'Atlantique Equatorial (Sampaio de Melo et al., 2020). Le faible nombre d'instruments ne nous a pas permis d'utiliser ces données pour des études de la sismicité. Nous travaillons par contre, sur les enregistrements de la station sismologique de l'archipel en collaboration avec l'UN. Féd. Rio Grande du Nord (Brésil) et la SCRIPPS. Un travail, soumis récemment (de Melo et al., soumis) traite de la cyclicité des grands séismes dans le système de St. Paul et montre l'influence de la géométrie du système et de la longueur des failles transformantes dans la durée des cycles sismiques. Un autre travail, sur la profondeur des séismes est en cours de finalisation.

Les profils sismiques acquis lors de COLMEIA sont dans la phase finale de traitement, en collaboration avec M. Ligi (CNR Bologne, Italie). Les lignes traversant la ride de mylonites d'Atoba montrent le chevauchement le long de la bordure sud de la structure, avec les failles et la structure en fleur positive associée. Dans certaines lignes, la déformation de la croûte océanique du segment nord, prise dans le système compressif, apparaît comme une succession de blocs faillés et déformés, un schéma qui est également visible dans l'interprétation structurale de la bathymétrie. Des évidences d'extension récente sont visibles dans la partie sud du système (chapitre en phase finale de rédaction).

Nous avons fini récemment les travaux sur l'évolution temporelle du système de St Paul (coll. avec le CNR Bologne et Rome). Après le début de la phase transtensive (environ 40 Ma) le système a évolué rapidement, avec la mise en place de petits bassins en « pull-apart » à l'intérieur du domaine transformant, qui ont ensuite évolué vers des petits segments d'accrétion (Figure 9). La configuration est restée instable pour une longue période de temps (environ 25 millions d'années) et pendant cette phase, nous observons des propagations et déplacements axiaux, avec naissance et disparition de discontinuités non-transformantes à l'intérieur du système. La configuration actuelle à trois segments séparés par des failles transformantes bien définies, a été acquise il y a environ 15 Myr (Maia, 2019, chapitre en phase finale de rédaction). Il est difficile de placer des âges exacts, car le système se trouve à proximité de l'équateur magnétique, ce qui rend difficile l'usage du magnétisme. Les résultats des calculs thermiques montrent que dans les périodes de transtension, les températures à l'intérieur du système transformant augmentent légèrement et il est probable que la conjonction de l'extension, d'un manteau fertile et de cette légère augmentation dans la température du manteau permettent le début de l'accrétion, même en contexte de dorsale lente (chapitre en phase finale de rédaction coll. Brest-Bologne-Rome).

Figure 9. Topographie du socle, après correction à partir de la grille des épaisseurs de sédiments. Les traits magenta montrent la localization des axes d'accrétion. Les traits gris montrent les failles transformantes et les traits blancs suivent les zones de fracture et traces des discontinuités spatiales dans le passé.