Study of the tectonic and the volcanicity in the North Tanzania Divergence area (South Ending of the Kenya Rift).
Petrological and geochemical characteristics of recent volcanism (0 – 8 My) and mantle sources.
New constraints on the geodynamical environment.
Etude volcano-tectonique de la zone de Divergence Nord Tanzanienne (Terminaison Sud du Rift Kenyan).
Caractérisation pétrologique et géochimique du volcanisme récent (8 Ma – Actuel) et du manteau source.
Contraintes de mise en place.
Résumé
The East African Rift System (EARS) is the best example worldwide of an active magmatic rift. It extends over more than 3500 km from the Afar province to the Mozambican Gulf, cutting through the Ethiopian and East Africa elevated plateaus that are the topographic expression of one or several Cenozoic mantle plumes beneath this part of Africa. Extensional strain initited along the eastern magmatic branch of the EARS at ca. 30 My in the Afar, and then propagated southwards by linkage of discrete magmatic cells centered on the Kenyan dome, to reach South Kenya 8 My ago. There, the North Tanzanian Divergence (NTD) corresponds to a dramatic change in structural style, associated with the abrupt disappearance of magmatism southwards. The transition zone from the NS axial valley into three diverging rift arms (Eyasi, Natron-Manyara and Pangani), dominated by tilted basement fault blocks, is outlined by a 200 km-long transverse volcanic chain, including major Neogene volcanic edifices such as the Ngorongoro, Mount Meru and Kilimanjaro.
Our work presents new structural and geochemical results on magmatic rocks in the NTD, and its main originality is to integrate complementary approaches involving field investigations, petrological-mineralogical analyses, geochronology, Sr-Nd isotopic and trace elements geochemistry. That allows us to also precise the build-up history and mechanisms of a number of major volcanoes of the NTD (Ngorongoro, Mount Meru, Kilimanjaro) during Plio-Quaternary times. Applying this approach to a wider scale, and compiling published radiometric data with our own K-Ar age determinations, allows us to establish a kinematic rift propagation model to the NTD for the last 8 My. It is proposed that both magmatism and strain shifted eastwards along the transverse volcanic chain, up to the Pangani arm, from 8 My to Present, with the onset of magmatic activity in the whole NTD at 2.5 My. But, the main contribution of our study is devoted to the Kilimanjaro long-lived edifice that forms the prominent structure in the EARS, as a whole. Seventeen new K-Ar ages provide constraints for précising time relationships between its three main magmatic centres, and emphasis has been put on the Kibo central vent that recorded the last building phases in the time range 492-165 ky. In addition, new petrological and geochemical results on Kilimanjaro mafic lavas bring some new insights on the nature of mantle sources that are thought to be heterogeneous lithospheric material with residual amphibole and garnet. Two different metasomatic events, Precambrian and Plio-Quaternary in age, are inferred to have governed the evolution of the mantle sources, with the infiltration of melt from the underlying Neogene plume.
These conclusions, extended at the scale of the NTD for young (<1 My) primitive lavas, highlight differences in the nature of the petrogenetic processes that gave rise to synrift magmatism throughout the NTD. To the East, lavas typically show geochemical compositions derived from the fertilization of the stretched lithosphere by the sub-actual activity of the Kenya plume. On the opposite, lavas from the western part of the NTD present geochemical signatures inherited from a Precambrian metasomatized lithospheric mantle, in agreement with results on mantle xenoliths. The nature, location and timing of lithospheric metasomatism in the magmatic segment of the NTD are likely to be highly controlled by structural inheritance, and more particularly by the presence of the Tanzanian Archean craton and large-scale transverse structures in the surrounding Proterozoic orogenic belts.
Our work presents new structural and geochemical results on magmatic rocks in the NTD, and its main originality is to integrate complementary approaches involving field investigations, petrological-mineralogical analyses, geochronology, Sr-Nd isotopic and trace elements geochemistry. That allows us to also precise the build-up history and mechanisms of a number of major volcanoes of the NTD (Ngorongoro, Mount Meru, Kilimanjaro) during Plio-Quaternary times. Applying this approach to a wider scale, and compiling published radiometric data with our own K-Ar age determinations, allows us to establish a kinematic rift propagation model to the NTD for the last 8 My. It is proposed that both magmatism and strain shifted eastwards along the transverse volcanic chain, up to the Pangani arm, from 8 My to Present, with the onset of magmatic activity in the whole NTD at 2.5 My. But, the main contribution of our study is devoted to the Kilimanjaro long-lived edifice that forms the prominent structure in the EARS, as a whole. Seventeen new K-Ar ages provide constraints for précising time relationships between its three main magmatic centres, and emphasis has been put on the Kibo central vent that recorded the last building phases in the time range 492-165 ky. In addition, new petrological and geochemical results on Kilimanjaro mafic lavas bring some new insights on the nature of mantle sources that are thought to be heterogeneous lithospheric material with residual amphibole and garnet. Two different metasomatic events, Precambrian and Plio-Quaternary in age, are inferred to have governed the evolution of the mantle sources, with the infiltration of melt from the underlying Neogene plume.
These conclusions, extended at the scale of the NTD for young (<1 My) primitive lavas, highlight differences in the nature of the petrogenetic processes that gave rise to synrift magmatism throughout the NTD. To the East, lavas typically show geochemical compositions derived from the fertilization of the stretched lithosphere by the sub-actual activity of the Kenya plume. On the opposite, lavas from the western part of the NTD present geochemical signatures inherited from a Precambrian metasomatized lithospheric mantle, in agreement with results on mantle xenoliths. The nature, location and timing of lithospheric metasomatism in the magmatic segment of the NTD are likely to be highly controlled by structural inheritance, and more particularly by the presence of the Tanzanian Archean craton and large-scale transverse structures in the surrounding Proterozoic orogenic belts.
Le Rift Est Africain (REA) s'étend sur 3500 km du triangle des Afars au golfe du Mozambique et recoupe les hauts plateaux de l'Afar et de l'Afrique de l'Est, considérés comme l'expression morphologique liée à la présence en profondeur de panache(s) mantellique(s) Cénozoïque(s). C'est actuellement le plus bel exemple observable sur Terre de rift magmatique « actif ». La cinématique extensive associée à la branche Est du REA, magmatique, s'est initiée vers 30 Ma en Afar, puis a évoluée vers le Sud, en impliquant de multiples cellules de propagation centrées sur le dôme du Kenya, pour atteindre l'extrémité Sud du rift kenyan vers 8 Ma. Située à ce niveau, la Divergence Nord Tanzanienne (DNT) se caractérise par des changements importants dans l'expression de surface du rifting , passant d'une vallée axiale Nord-Sud unique à trois branches divergentes (d'Ouest en Est : Eyasi, Natron-Manyara et Pangani). Dans ces dernières, la déformation est plus diffuse, principalement dominée par des systèmes de blocs basculés où l'héritage structural est prépondérant. Associé à ce changement structural, se met en place une chaîne volcanique Néogène d'orientation Est-Ouest, d'environ 200 km de long, dans laquelle on trouve des édifices volcaniques majeurs tels le Ngorongoro, le Mont Meru ou le Kilimandjaro.
Ce travail de thèse présente les résultats de l'étude volcano-structurale menée sur cette zone de rift divergent. L'originalité de notre approche provient de la combinaison d'outils complémentaires (terrain, pétrologie, radiochronologie, géochimie isotopique Sr-Nd et des éléments en traces), appliquées à une zone clé du REA. Ainsi, à l'échelle des principaux volcans de la DNT, et particulièrement pour le Ngorongoro et le Mt Meru, nous avons pu reconstituer leur activité Plio-Quaternaire en précisant les mécanismes de mise en place de leurs principales formations volcaniques. Cette approche locale a été étendue à l'échelle régionale en synthétisant les données radiochronologiques existantes, complétées par six nouveaux âges K-Ar. Nous avons ainsi pu reconstituer l'histoire volcano-tectonique de la DNT et proposer un modèle d'évolution spatio-temporel du volcanisme depuis 8 Ma. Ce dernier met en évidence une migration de l'activité magmatique vers l'Est entre 8 Ma et l'actuel avec une activité généralisée dans l'ensemble de la DNT à 2,5 Ma, qui accompagne l'extension de la déformation vers la branche de Pangani. Le Kilimandjaro, édifice majeur à l'échelle du Rift Africain, constitue le cœur de ce travail. La détermination de dix sept nouveaux âges K-Ar a permis de contraindre dans le temps les processus volcaniques ayant affecté les trois centres le constituant, et plus particulièrement le centre principal de Kibo pour lequel nous parvenons à reconstituer les dernières phases d'édification entre 492 ka et 165 ka. Grâce à l'approche pétrologique et géochimique réalisée sur les laves du Kilimandjaro, nous proposons un modèle d'évolution des sources mantelliques de ces magmas, en montrant qu'ils sont issus de la fusion partielle d'une source lithosphérique hétérogène à amphibole et grenat résiduels, ayant acquis ses caractéristiques géochimiques au cours de deux épisodes métasomatiques distincts : un premier, probablement d'âge Précambrien, et le deuxième, Plio-Quaternaire, provoqué par la percolation des magmas formés au sein du panache asthénosphérique sous-jacent. La généralisation de cette approche à l'échelle de la DNT, pour les laves primitives d'âges < 1 Ma, met en évidence des différences dans les processus pétrogénétiques à l'origine du magmatisme de cette région. Si sa manifestation, à l'Est de la DNT, présente des compositions caractéristiques d'une fertilisation de la lithosphère par l'activité sub-actuelle d'un panache, les laves émises à l'Ouest comportent des signatures géochimiques héritées d'un manteau lithosphérique métasomatisé au Précambrien, en accord avec les résultats obtenus sur les enclaves mantelliques. Le type de métasomatisme, sa localisation et sa période d'activité sont certainement liés à l'héritage structural, et particulièrement au positionnement relatif des blocs cratoniques Archéen et des zones transverses affectant les ceintures orogéniques Protérozoïques.
Ce travail de thèse présente les résultats de l'étude volcano-structurale menée sur cette zone de rift divergent. L'originalité de notre approche provient de la combinaison d'outils complémentaires (terrain, pétrologie, radiochronologie, géochimie isotopique Sr-Nd et des éléments en traces), appliquées à une zone clé du REA. Ainsi, à l'échelle des principaux volcans de la DNT, et particulièrement pour le Ngorongoro et le Mt Meru, nous avons pu reconstituer leur activité Plio-Quaternaire en précisant les mécanismes de mise en place de leurs principales formations volcaniques. Cette approche locale a été étendue à l'échelle régionale en synthétisant les données radiochronologiques existantes, complétées par six nouveaux âges K-Ar. Nous avons ainsi pu reconstituer l'histoire volcano-tectonique de la DNT et proposer un modèle d'évolution spatio-temporel du volcanisme depuis 8 Ma. Ce dernier met en évidence une migration de l'activité magmatique vers l'Est entre 8 Ma et l'actuel avec une activité généralisée dans l'ensemble de la DNT à 2,5 Ma, qui accompagne l'extension de la déformation vers la branche de Pangani. Le Kilimandjaro, édifice majeur à l'échelle du Rift Africain, constitue le cœur de ce travail. La détermination de dix sept nouveaux âges K-Ar a permis de contraindre dans le temps les processus volcaniques ayant affecté les trois centres le constituant, et plus particulièrement le centre principal de Kibo pour lequel nous parvenons à reconstituer les dernières phases d'édification entre 492 ka et 165 ka. Grâce à l'approche pétrologique et géochimique réalisée sur les laves du Kilimandjaro, nous proposons un modèle d'évolution des sources mantelliques de ces magmas, en montrant qu'ils sont issus de la fusion partielle d'une source lithosphérique hétérogène à amphibole et grenat résiduels, ayant acquis ses caractéristiques géochimiques au cours de deux épisodes métasomatiques distincts : un premier, probablement d'âge Précambrien, et le deuxième, Plio-Quaternaire, provoqué par la percolation des magmas formés au sein du panache asthénosphérique sous-jacent. La généralisation de cette approche à l'échelle de la DNT, pour les laves primitives d'âges < 1 Ma, met en évidence des différences dans les processus pétrogénétiques à l'origine du magmatisme de cette région. Si sa manifestation, à l'Est de la DNT, présente des compositions caractéristiques d'une fertilisation de la lithosphère par l'activité sub-actuelle d'un panache, les laves émises à l'Ouest comportent des signatures géochimiques héritées d'un manteau lithosphérique métasomatisé au Précambrien, en accord avec les résultats obtenus sur les enclaves mantelliques. Le type de métasomatisme, sa localisation et sa période d'activité sont certainement liés à l'héritage structural, et particulièrement au positionnement relatif des blocs cratoniques Archéen et des zones transverses affectant les ceintures orogéniques Protérozoïques.
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