Seismo-petrophysical approach to constrain the lithospheric processes during the continental break-up initiation in the North Tanzanian Divergence, East African Rift
Approche sismo-pétrophysique pour contraindre les processus lithosphériques lors de l’initiation de la rupture continentale de la Divergence Nord Tanzanienne, Rift Est Africain
Résumé
The East African Rift (EAR) is a unique continental open-air laboratory to study the rift evolution, from the beginning of the lithospheric extension in the South, to the oceanisation in the North. The comprehension of rifting processes and evolution are essential to better understand the Earth geodynamic (plate tectonics, mantle plume role, crust-mantle interactions…).In this study, we focus on the North Tanzanian Divergence, which is a rift initiation zone situated at the southern tip of the Eastern Branch of the EAR. There, the rift surface expression results from the interactions between deep-mantle (mantle plume), lithospheric (inherited rheology and stratification, melting...) and crustal (dyke propagation, fault activation...) processes. However, the role of each process on the observed surface activity is still debated, as their respective signals are interlinked. In order to consider the various factors that may interact in this complex zone, a multi-disciplinary study was carried out, combining seismological, petrological and petrophysical approaches.The development of a new hybrid tomographic method for both P and S-body waves permits to image the rift zone with a better resolution (particularly at the Moho depth), the structures boundaries, as well as the mantle plume geometry. My tomographic study points out that the mantle structure limits are consistent with the surface geology (rifting basin, border faults, volcanoes). At a regional scale, the strongest velocity contrasts correspond to the lithospheric inherited structure boundaries (Tanzanian craton and Proterozoic belts), which control the propagation of the rift. The Masai block, south of the NTD, is inferred to have a strong influence in the rift evolution, especially on the volcanism distribution and on the change of the rift morphology. To discriminate which parameters are acting in the rift, the P and S results are combined in a Vp/Vs ratio model. Those images enable us to determine and locate possible zones with melt, fluid or gas presence.Additionally, the geochemical analyses of mantle xenoliths from in-rift (Pello Hills) and on-craton edge (Labait) volcanoes permit to characterize the lithospheric mantle, as well as the fluids percolating and metasomatizing the mantle. The xenoliths contain abundant hydrous minerals (amphibole and phlogopite) as isolated crystals or veins that attest to an important modal metasomatism beneath the NTD. These fluids are alkaline-rich and may be plume or subduction-related. The Pello Hills samples tend to follow an adiabat instead of a geotherm, suggesting that the volcano is directly situated above the mantle plume borders. The Labait xenoliths follow an intermediate geotherm between a cratonic and a plume-modified one, indicating that the mantle below the Labait is moderately affected by the plume.The petrophysical study on the mantle xenoliths allow us to characterise the mantle seismic properties. We particularly focus on the effect of crystal aggregates, the presence or absence of veins, and the compositions and orientation of the veins. Our results point out that the mantle below the NTD is anisotropic, and particularly in highly metasomatized zones.Despite the change of spatial and temporal scale between petrological (centimetric samples from past eruptions) and the geophysical (pluri-tenth of kilometres anomalies from present day) studies, the combination of these approaches provide relevant information about the in-rift mantle metasomatism, the influence of the mantle plume on the cratonic lithosphere and its possible erosion, and offer a confirmation of the location of supercritical fluid and melt zones.
Le Rift Est Africain (REA) est un laboratoire à ciel ouvert, unique pour étudier l'évolution d’un rift continental, depuis le début de l'extension lithosphérique, jusqu'à l'océanisation. La compréhension des processus de rifting et de leur évolution est essentielle pour mieux comprendre la géodynamique de la Terre.Dans cette étude, nous nous concentrons sur la Divergence Nord Tanzanienne (DNT), une zone d'initiation de rift située à l'extrémité sud de la Branche Est du REA. Ici, l'expression en surface du rift résulte des interactions entre les processus mantelliques profonds (panache mantellique), lithosphériques (rhéologie héritées, fusion partielle...) et crustaux (propagation de dykes, activation de failles...). Cependant, le rôle de chaque processus sur l'activité observée en surface est encore débattu, car leurs signaux respectifs sont interconnectés. Afin de considérer les différents facteurs pouvant interagir dans cette zone complexe, une étude pluridisciplinaire a été menée, combinant des approches sismologiques, pétrologiques et pétrophysiques.Le développement d'une nouvelle méthode tomographique hybride pour les ondes de volume P et S permet d'imager, la zone du rift avec une meilleure résolution (en particulier au niveau du Moho), les limites des structures, ainsi que la géométrie du panache mantellique. Mon étude tomographique montre que les limites de la structure du manteau sont cohérentes avec la géologie de surface (bassin, failles, volcans). A l'échelle régionale, les contrastes de vitesse les plus forts correspondent aux limites des structures héritées lithosphériques (Craton Tanzanien et Ceintures Protérozoïques), qui contrôlent la propagation du rift. Le bloc Masai, au sud de la DNT, est supposé avoir une forte influence sur l'évolution du rift, en particulier sur la distribution du volcanisme et sur le changement de la morphologie du rift. Pour discriminer quels paramètres agissent dans le rift, les résultats P et S sont combinés dans un modèle de ratio Vp/Vs. Ces images nous permettent de déterminer et de localiser d'éventuelles zones de présence de magma, de fluide ou de gaz.De plus, les analyses géochimiques des xénolites mantelliques provenant des volcans dans le rift (Pello Hills) et sur le bord du craton (Labait) permettent de caractériser le manteau lithosphérique, ainsi que les fluides qui s'infiltrent et métasomatisent le manteau. Les xénolites contiennent d'abondants minéraux hydratés sous forme de cristaux isolés ou de veines qui attestent d'un important métasomatisme modal sous la DNT. Ces fluides sont riches en alcalins et peuvent être liés au panache mantellique ou aux anciennes subductions. Les échantillons de Pello Hills suivent un adiabat plutôt qu'un géotherme, ce qui suggère que le volcan est directement situé au-dessus des bords du panache mantellique. Les xénolites du Labait suivent un géotherme intermédiaire entre un géotherme cratonique et un géotherme modifié par un panache mantellique, ce qui indique que le manteau sous le Labait est modérément affecté par le panache.L'étude pétrophysique sur les xénolites du manteau permet de caractériser les propriétés sismiques du manteau. Nous nous concentrons particulièrement sur l'effet des agrégats cristallins, la présence ou l'absence de veines, et les compositions et l'orientation des veines. Nos résultats soulignent que le manteau sous la DNT est anisotrope, et particulièrement dans les zones fortement métasomatisées.Malgré le changement d'échelle spatiale et temporelle entre les études pétrologiques (échantillons centimétriques issus d'éruptions passées) et géophysiques (anomalies de plusieurs dizaines de kilomètres et actuelles), la combinaison de ces approches fournit des informations pertinentes sur le métasomatisme mantellique sous le rift, sur l'influence du panache mantellique sur la lithosphère cratonique et son éventuelle érosion, et offrent une confirmation de la localisation de zones avec des fluides et du magma.
Origine : Version validée par le jury (STAR)