Mud volcanism and fluid emissions in Eastern Mediterranean neotectonic zones
Résumé
Mud volcanoes which result from the extrusion of fluid-rich mud flows has long been known onshore or at sea, mainly within active belts but also on highly sedimented passive margins. However, the interest of the scientific community in submarine mud volcanoes and associated phenomena has increased recently as their potential importance has been recognized in several areas. These areas include ocean margin shaping, greenhouse gases release and induced climate change, energy for chemosynthetically based life, petroleum prospecting, and gas hydrates accumulation as a potential energy resource. Therefore, a multidisciplinary approach is required to understand mud volcanism and the inter-relationships among gases, bacteria, benthic communities, sediment stability, debris flow, tectonics and the geophysical and geochemical signature of the mud volcanic products.
This thesis is part of the MEDINAUT and MEDMUD programmes, both international and national multidisciplinary research focussed on the Eastern Mediterranean Sea as a natural laboratory for mud volcanism and fluid emissions. The principal goal of this thesis is to determine the geological controls on mud volcanism in the area and the physical origins of the acoustic signature of the mud volcano deposits. The dataset, collected during several marine expeditions (ANAXIPROBE, PRISMED II, MEDINAUT, MEDINETH), is presented in Chapter 2 and comprises multibeam bathymetry and imagery, seismic profiles, gravity data, sidescan sonar records, submersible video records, and sedimentary cores. The thesis is divided in two parts: the first part (Chapters 3 and 4) examines the geology and sedimentology of mud volcanoes in the Eastern Mediterranean Sea, whereas the second part (Chapters 5 and 6), more specifically focussed on the Anaximander Mountains area, south of Turkey, deals with the current stress field and active deformation at the junction between the Hellenic and Cyprus Arcs, and its relation with mud volcanism evolution.
Sedimentology and geology of Eastern Mediterranean mud volcano deposits - In Chapter 3, the in situ observations of the seafloor at mud volcanoes (as analysed from video recordings from the submersible “Nautile” and from deep tow video) have revealed common characteristics at cold seeps, such as carbonate crust constructions and specific chemosynthetic-based fauna. The mapping of the seafloor characteristics and the degree of colonization by benthic fauna can be correlated with the observed backscatter variations. Mud volcanism activity presents a high variability related to the intensity of the fluid fluxes and, probably, the age of the mud flows and seeps. So, the geophysical signature can be related to spatial and temporal variations of mud volcanism. Mud volcanic activity also depends on which type of phenomenon is considered (e.g. fluid emissions, mud eruptions, biological activity) and at which scale.
Chapter 4 discusses the depositional environment, age, and depth of the lithological unit from which the mud breccia is extruded. The clay mineralogy of all the studied samples from the mud matrix reveals a similar assemblage that is dominated by the presence of smectite (up to 90% of the total clay minerals amount) and is comparable to smectite-rich terrigeneous units of Messinian age. The absence of diagenetic transformations indicates a shallow depth for the remobilization of the mud reservoir. This is of direct relevance (as a constraint) to geochemical research into the depth of origin of seep fluids.
Tectonic control of mud volcanism: example of the Anaximander Mountains area at the junction between the Hellenic and the Cyprus Arcs - The Anaximander Mountains, a complex of three distinct seamounts rising more than 1000 m above the surrounding sea-floor, are formed by crustal blocks rifted from southern Turkey. They form with the surrounding areas (Florence Rise structure, Isparta Angle in SW Turkey) a tectonic accommodation zone between the active deformation in the Aegean-SW Turkey region and the tectonically quieter Cyprus region. The structural pattern of the area is examined in Chapter 5 and indicates that progressive adjustment to incipient collision developed into a broad zone of NW-SE transpressive wrenching. The mud volcanoes are observed along the dominant structures of the western Cyprus Arc (eastern Anaximander Mountains and Florence Rise) where major longitudinal N150°-trending normal/oblique faults as well as crosscutting N070°-oriented sinistral strike slip faults occur.
Chapter 6 focuses on a detailed analysis of the relationship between mud volcanoes and tectonic features from O.R.E.Tech deep-tow sidescan sonar and subbottom profiler data obtained during the 1999 MEDINETH expedition. The fault mapping indicates that several eastern Mediterranean mud volcanoes in the Anaximander Mountains and along the Florence Rise are structurally controlled. The faults are inferred to provide pathways for over-pressured mud and fluids, and mud volcanoes appear related to both major and secondary faulting within the regional stress field. This analysis reveals the fundamental role of transcurrent and extensional tectonics, suggesting that the extensive constraint generated by strike-slip and normal faults facilitates mud extrusion.
Chapter 7 reviews the principal results from Chapter 3 to 6 and integrates them with geochemical and microbiological analyses also carried out within the MEDMUD programme to give insight into the emplacement and evolution of mud volcanoes as well as the origin of both the fluids and the solid phase of the expelled material.
This thesis is part of the MEDINAUT and MEDMUD programmes, both international and national multidisciplinary research focussed on the Eastern Mediterranean Sea as a natural laboratory for mud volcanism and fluid emissions. The principal goal of this thesis is to determine the geological controls on mud volcanism in the area and the physical origins of the acoustic signature of the mud volcano deposits. The dataset, collected during several marine expeditions (ANAXIPROBE, PRISMED II, MEDINAUT, MEDINETH), is presented in Chapter 2 and comprises multibeam bathymetry and imagery, seismic profiles, gravity data, sidescan sonar records, submersible video records, and sedimentary cores. The thesis is divided in two parts: the first part (Chapters 3 and 4) examines the geology and sedimentology of mud volcanoes in the Eastern Mediterranean Sea, whereas the second part (Chapters 5 and 6), more specifically focussed on the Anaximander Mountains area, south of Turkey, deals with the current stress field and active deformation at the junction between the Hellenic and Cyprus Arcs, and its relation with mud volcanism evolution.
Sedimentology and geology of Eastern Mediterranean mud volcano deposits - In Chapter 3, the in situ observations of the seafloor at mud volcanoes (as analysed from video recordings from the submersible “Nautile” and from deep tow video) have revealed common characteristics at cold seeps, such as carbonate crust constructions and specific chemosynthetic-based fauna. The mapping of the seafloor characteristics and the degree of colonization by benthic fauna can be correlated with the observed backscatter variations. Mud volcanism activity presents a high variability related to the intensity of the fluid fluxes and, probably, the age of the mud flows and seeps. So, the geophysical signature can be related to spatial and temporal variations of mud volcanism. Mud volcanic activity also depends on which type of phenomenon is considered (e.g. fluid emissions, mud eruptions, biological activity) and at which scale.
Chapter 4 discusses the depositional environment, age, and depth of the lithological unit from which the mud breccia is extruded. The clay mineralogy of all the studied samples from the mud matrix reveals a similar assemblage that is dominated by the presence of smectite (up to 90% of the total clay minerals amount) and is comparable to smectite-rich terrigeneous units of Messinian age. The absence of diagenetic transformations indicates a shallow depth for the remobilization of the mud reservoir. This is of direct relevance (as a constraint) to geochemical research into the depth of origin of seep fluids.
Tectonic control of mud volcanism: example of the Anaximander Mountains area at the junction between the Hellenic and the Cyprus Arcs - The Anaximander Mountains, a complex of three distinct seamounts rising more than 1000 m above the surrounding sea-floor, are formed by crustal blocks rifted from southern Turkey. They form with the surrounding areas (Florence Rise structure, Isparta Angle in SW Turkey) a tectonic accommodation zone between the active deformation in the Aegean-SW Turkey region and the tectonically quieter Cyprus region. The structural pattern of the area is examined in Chapter 5 and indicates that progressive adjustment to incipient collision developed into a broad zone of NW-SE transpressive wrenching. The mud volcanoes are observed along the dominant structures of the western Cyprus Arc (eastern Anaximander Mountains and Florence Rise) where major longitudinal N150°-trending normal/oblique faults as well as crosscutting N070°-oriented sinistral strike slip faults occur.
Chapter 6 focuses on a detailed analysis of the relationship between mud volcanoes and tectonic features from O.R.E.Tech deep-tow sidescan sonar and subbottom profiler data obtained during the 1999 MEDINETH expedition. The fault mapping indicates that several eastern Mediterranean mud volcanoes in the Anaximander Mountains and along the Florence Rise are structurally controlled. The faults are inferred to provide pathways for over-pressured mud and fluids, and mud volcanoes appear related to both major and secondary faulting within the regional stress field. This analysis reveals the fundamental role of transcurrent and extensional tectonics, suggesting that the extensive constraint generated by strike-slip and normal faults facilitates mud extrusion.
Chapter 7 reviews the principal results from Chapter 3 to 6 and integrates them with geochemical and microbiological analyses also carried out within the MEDMUD programme to give insight into the emplacement and evolution of mud volcanoes as well as the origin of both the fluids and the solid phase of the expelled material.
Les volcans de boue, résultant de l'extrusion en surface de coulées boueuses riches en fluides, sont depuis longtemps étudiés à terre et en mer, principalement au sein des marges actives mais également sur les marges passives fortement sédimentées. L'intérêt de la communauté scientifique pour les volcans de boue sous-marins s'est développé du fait de leur importance potentielle dans de nombreux domaines, parmi lesquels : la stabilité des marges continentales (déstabilisations sédimentaires, risques sismique), les variations climatiques à plus ou moins long terme (dégagement de gaz à effet de serre dans l'hydrosphère et l'atmosphère), l'évolution des communautés biologiques profondes. L'analyse et la compréhension de ces structures présente enfin un fort intérêt économique notamment comme indicateurs de la présence et du comportement des hydrocarbures en offshore profond, ainsi qu'à travers le stockage d'une quantité de méthane importante sous forme d'hydrates de gaz, pouvant représenter une source énergétique potentielle.
Cette thèse fait partie des programmes internationaux et nationaux MEDINAUT et MEDINETH, dédiés à l'étude pluridisciplinaire du volcanisme boueux et des émissions de fluides en Méditerranée Orientale. En effet, une approche multidisciplinaire est requise pour comprendre les processus physico-chimiques d'interaction entre argilocinèse et phénomènes tels que : émissions de gaz, bactéries et communautés benthiques, stabilité des sédiments (débris flow) et tectonique récente ou active.
Le principal objectif de ce travail a été de déterminer les contrôles géologiques du volcanisme boueux dans cette région et les origines de la signature acoustique des produits de l'argilocinèse à travers l'acquisition, le traitement et l'interprétation de données géophysiques et géologiques aussi diverses que bathymétrie multifaisceaux, imagerie acoustique, sismique réflexion, gravimétrie, enregistrements de sonar tracté, ou encore vidéos et prélèvements “in situ” issus de plongées profondes. Ces données qui furent collectées durant diverses campagnes marines (ANAXIPROBE, PRISMED II, MEDINAUT, MEDINETH) sont détaillées au Chapitre 2. Cette thèse est divisée en deux parties: la première (Chapitres 3 et 4) examine la géologie et sédimentologie des dépôts argilocinétiques en Méditerranée Orientale, tandis que la seconde (Chapitre 5 et 6) est plus spécifiquement axée sur la déformation actuelle dans la région des Monts Anaximandre (à la jonction de l'Arc Héllenique et de l'Arc de Chypre) et ses relations avec la mise en place et l'évolution du volcanisme boueux.
Sédimentologie et géologie des dépôts d'argilocinèse en Méditerranée Orientale - Au Chapitre 3, les observations “in situ” de la surface des volcans de boue (analysées au travers des enregistrements vidéo acquis par caméra tractée ou submersible) ont révélé des caractéristiques communes aux suintements de fluides froids, tels qu'encroûtements carbonatées et faunes spécifiques. Les variations de rétrodiffusion du fond, observées sur les données acoustiques, ont pu être corrélées, grâce aux observations directes, à des variations d'activité des volcans de boue, exprimées par des changements lithologiques et des variations du degré de colonisation par la faune benthique. L'activité du volcanisme boueux présente en effet une grande variabilité liée à l'intensité des flux de fluides et, probablement, à l'âge des coulées boueuses et des suintements. La signature géophysique peut donc être directement attribuée aux variations d'activité du volcanisme boueux, mises en évidence à travers un certain nombre de paramètres principaux tels qu'émanations de fluides, éruptions de boue et peuplements biologiques, contrôlés par des dynamiques spatio-temporelles à différentes échelles.
Le Chapitre 4 discute l'environnement de dépôt, ainsi que l'âge et la profondeur de l'unité lithologique dont la brèche de boue est issue. L'analyse minéralogique de la matrice boueuse révèle un assemblage argileux similaire pour tous les échantillons, et dominé par la présence de smectite (jusqu'à 90% de la totalité des minéraux argileux). Ce cortège argileux est comparable aux unités terrigènes riches en smectite d'âge Messinien et démontre l'absence de transformations diagénétique, indiquant donc une faible profondeur de remobilisation pour le réservoir boueux.
Le contrôle tectonique du volcanisme boueux: exemple des Monts Anaximandre à la jonction de l'Arc Héllenique et de l'Arc de Chypre - Les Monts Anaximandre, représentent un complexe de trois monts sous-marins de plus de 1000 m de dénivelé détachés de la marge Turque. Ils forment avec les structures avoisinantes (la Ride de Florence et l'Angle d'Isparta au SW de la Turquie) une zone d'accommodation tectonique entre les déformations de la région Egéenne-Turque et la région chypriote. La déformation récente de la région est analysée dans le Chapitre 5 et indique que l'ajustement progressif de la collision s'effectue le long d'une large zone transpressive orientée NW-SE. Les volcans de boue se situent le long de la branche occidentale de l'Arc de Chypre (partie orientale des Monts Anaximandre et Ride de Florence) en association avec un réseau de failles normales à composante dextre orientées N150° parallèlement à la structure et de failles décrochantes senestres orientées N070°.
Le Chapitre 6 se concentre sur une analyse détaillée des relations entre les volcans de boue et les structures tectoniques à partir de données de sonar tracté couplé à un sondeur de sédiments (type O.R.E.Tech), obtenues lors de la campagne MEDINETH. La cartographie des failles associées à plusieurs volcans de boue des Monts Anaximandres et de la Ride de Florence indique que ceux-ci sont contrôlés structuralement. Les failles font office de conduit préférentiel pour l'expulsion de la boue et des fluides sous pression. Une relation avec les accidents majeurs et secondaires dans le champ de contraintes associé à la convergence a été mise en évidence. Cette analyse révèle le rôle fondamental des failles normales et décrochantes, suggérant que les contraintes extensives facilitent la remontée de la boue.
Le Chapitre 7 résume les principaux résultats des Chapitres 3 à 6 et les intègre dans le cadre du programme MEDMUD avec les résultats des analyses géochimiques et microbiologiques afin de déterminer les mécanismes à l'origine de l'apparition et de l'évolution des volcans de boue, ainsi que l'origine des phases solides et fluides du matériel extrudé.
Cette thèse fait partie des programmes internationaux et nationaux MEDINAUT et MEDINETH, dédiés à l'étude pluridisciplinaire du volcanisme boueux et des émissions de fluides en Méditerranée Orientale. En effet, une approche multidisciplinaire est requise pour comprendre les processus physico-chimiques d'interaction entre argilocinèse et phénomènes tels que : émissions de gaz, bactéries et communautés benthiques, stabilité des sédiments (débris flow) et tectonique récente ou active.
Le principal objectif de ce travail a été de déterminer les contrôles géologiques du volcanisme boueux dans cette région et les origines de la signature acoustique des produits de l'argilocinèse à travers l'acquisition, le traitement et l'interprétation de données géophysiques et géologiques aussi diverses que bathymétrie multifaisceaux, imagerie acoustique, sismique réflexion, gravimétrie, enregistrements de sonar tracté, ou encore vidéos et prélèvements “in situ” issus de plongées profondes. Ces données qui furent collectées durant diverses campagnes marines (ANAXIPROBE, PRISMED II, MEDINAUT, MEDINETH) sont détaillées au Chapitre 2. Cette thèse est divisée en deux parties: la première (Chapitres 3 et 4) examine la géologie et sédimentologie des dépôts argilocinétiques en Méditerranée Orientale, tandis que la seconde (Chapitre 5 et 6) est plus spécifiquement axée sur la déformation actuelle dans la région des Monts Anaximandre (à la jonction de l'Arc Héllenique et de l'Arc de Chypre) et ses relations avec la mise en place et l'évolution du volcanisme boueux.
Sédimentologie et géologie des dépôts d'argilocinèse en Méditerranée Orientale - Au Chapitre 3, les observations “in situ” de la surface des volcans de boue (analysées au travers des enregistrements vidéo acquis par caméra tractée ou submersible) ont révélé des caractéristiques communes aux suintements de fluides froids, tels qu'encroûtements carbonatées et faunes spécifiques. Les variations de rétrodiffusion du fond, observées sur les données acoustiques, ont pu être corrélées, grâce aux observations directes, à des variations d'activité des volcans de boue, exprimées par des changements lithologiques et des variations du degré de colonisation par la faune benthique. L'activité du volcanisme boueux présente en effet une grande variabilité liée à l'intensité des flux de fluides et, probablement, à l'âge des coulées boueuses et des suintements. La signature géophysique peut donc être directement attribuée aux variations d'activité du volcanisme boueux, mises en évidence à travers un certain nombre de paramètres principaux tels qu'émanations de fluides, éruptions de boue et peuplements biologiques, contrôlés par des dynamiques spatio-temporelles à différentes échelles.
Le Chapitre 4 discute l'environnement de dépôt, ainsi que l'âge et la profondeur de l'unité lithologique dont la brèche de boue est issue. L'analyse minéralogique de la matrice boueuse révèle un assemblage argileux similaire pour tous les échantillons, et dominé par la présence de smectite (jusqu'à 90% de la totalité des minéraux argileux). Ce cortège argileux est comparable aux unités terrigènes riches en smectite d'âge Messinien et démontre l'absence de transformations diagénétique, indiquant donc une faible profondeur de remobilisation pour le réservoir boueux.
Le contrôle tectonique du volcanisme boueux: exemple des Monts Anaximandre à la jonction de l'Arc Héllenique et de l'Arc de Chypre - Les Monts Anaximandre, représentent un complexe de trois monts sous-marins de plus de 1000 m de dénivelé détachés de la marge Turque. Ils forment avec les structures avoisinantes (la Ride de Florence et l'Angle d'Isparta au SW de la Turquie) une zone d'accommodation tectonique entre les déformations de la région Egéenne-Turque et la région chypriote. La déformation récente de la région est analysée dans le Chapitre 5 et indique que l'ajustement progressif de la collision s'effectue le long d'une large zone transpressive orientée NW-SE. Les volcans de boue se situent le long de la branche occidentale de l'Arc de Chypre (partie orientale des Monts Anaximandre et Ride de Florence) en association avec un réseau de failles normales à composante dextre orientées N150° parallèlement à la structure et de failles décrochantes senestres orientées N070°.
Le Chapitre 6 se concentre sur une analyse détaillée des relations entre les volcans de boue et les structures tectoniques à partir de données de sonar tracté couplé à un sondeur de sédiments (type O.R.E.Tech), obtenues lors de la campagne MEDINETH. La cartographie des failles associées à plusieurs volcans de boue des Monts Anaximandres et de la Ride de Florence indique que ceux-ci sont contrôlés structuralement. Les failles font office de conduit préférentiel pour l'expulsion de la boue et des fluides sous pression. Une relation avec les accidents majeurs et secondaires dans le champ de contraintes associé à la convergence a été mise en évidence. Cette analyse révèle le rôle fondamental des failles normales et décrochantes, suggérant que les contraintes extensives facilitent la remontée de la boue.
Le Chapitre 7 résume les principaux résultats des Chapitres 3 à 6 et les intègre dans le cadre du programme MEDMUD avec les résultats des analyses géochimiques et microbiologiques afin de déterminer les mécanismes à l'origine de l'apparition et de l'évolution des volcans de boue, ainsi que l'origine des phases solides et fluides du matériel extrudé.
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