Constraints by penetrating seismic imaging on the evolution of a Cenozoic margin reactivated in compression (Algerian margin, sector of Tipaza)
Contraintes par imagerie sismique pénétrante sur l'évolution d'une marge Cénozoïque réactivée en compression (cas de la marge algérienne, secteur de Tipaza)
Résumé
The inversion of passive margins appears to be one of the first steps towards the initiation of new subduction zones. This crucial step in plate tectonics nevertheless still raises many questions. The study of margins currently reactivated by compressional tectonics is thus essential to better understand this process. These margins are uncommon, located in different geodynamic settings, and the factors determining their evolution are poorly constrained. The Algerian margin, located in North Africa, is one of handful of modern examples worldwide. The evolution of this margin, rifted during the Miocene, in a back-arc setting, is part of the complex puzzle of the western Mediterranean. Since a few million years, the margin has suffered inversion and compression in the framework of slow ongoing convergence between the European and African plates. This convergence generates moderate to strong earthquakes in North Algeria. The relatively young age of the Algerian basin, the large sediment load, and the compressive forces, constitute favorable conditions to the formation of a future subduction zone. Studies from the past ten years indicate, that the main unresolved questions are related to (1) the deep structure of the Algerian basin and its southern margin (the type of margin, the nature of the basement, the dimension and nature of the ocean-continent transition, the style and the distribution of the compressional deformation), and (2) the history of the kinematic and geodynamic evolution of the basin. All of these unknowns have prevented a complete and thorough analysis of modalities of the Algerian margin inversion. This study focuses on the Central Algerian margin, in the area of Tipaza (West of Algiers), a key region to understand the mechanism of the opening of the Algerian basin. Processing and analysis of a deep wide-angle and multichannel seismic new data set acquired in the context of the French-Algerian project SPIRAL (Sismique profonde et Investigation Régionales en ALgérie, 2009) have enabled us to determine the crustal structure of the Algerian basin and its southern continental margin, as well as the pseudo-3D structure of a specific feature in the study area: the submarine topographic high formed by the Khayr-al-Din bank. The analysis of the deep structure of the margin reveals features inherited from its complex evolution: (1) a crust of continental nature of more than 15 km thick at the upper margin (Khayr-al-Din Bank), (2) a thin crust of oceanic nature, 5-6 thick in the deep basin, including slightly high velocities at its base (7.2 km/s - 7.3 km/s), (3) similarities with margins formed in context of transform deformation, (4) a progressive deepening of the whole sedimentary cover and the thickening of the Plio-Quaternary sediments, from the distal deep basin towards the margin foot, coeval with (5) a long wavelength flexuration of the basement in the basin. Results from this study provide new constraints on (1) the geometry and nature of the margin and the basin, (2) the evolution of the margin, suggesting a multiphased history including a stage of rifting and/or oceanic spreading, a transcurrent episode due to the westward migration of the Alboran block, and a diffuse Plio-Quaternary compressional reactivation distributed from the deep basin to the upper margin; (3) the mechanisms of the reactivation marked by newly formed south-dipping blind-thrusts, especially at the foot of the Khayr-al-Din bank, and suggesting a Plio-Quaternary uplift of the bank of 0.2 mm/y to 0.75 mm/y and the early stages of imbricate thrusting of crustal scales.
L'inversion des marges passives apparaît comme le premier stade vers l'initiation de nouvelles zones de subduction. Cette étape cruciale dans la tectonique des plaques soulève néanmoins encore de nombreuses questions. L'étude des marges actuellement réactivées en compression apparaît ainsi comme essentielle pour mieux comprendre ce processus. Ces marges sont peu nombreuses, situées dans des contextes géodynamiques variés, et les facteurs déterminant leur évolution mal contraints. Située au nord de l'Afrique, la marge algérienne fait partie de ces rares exemples potentiels à travers le monde. L'évolution de cette marge formée au Miocène en contexte d'arrière-arc s'intègre dans le puzzle complexe de l'histoire de la Méditerranée occidentale. Elle est depuis quelques millions d'années réactivée en compression dans le cadre de la convergence lente entre les plaques européenne et africaine, générant un potentiel sismogène fort au nord de l'Algérie. La relative jeunesse du bassin algérien, la charge sédimentaire, les forces aux limites compressives, constituent des conditions favorables à la formation d'une future subduction. A la suite des travaux menés depuis une dizaine d'années, les principales lacunes de connaissances identifiées portent sur (1) la structuration profonde du bassin algérien et de sa marge sud (type de marge, nature du socle, dimension et nature de la transition océan-continent, style et distribution de la déformation compressive), et (2) l'histoire de l'évolution cinématique et géodynamique du bassin, ce qui limite à l'heure actuelle une analyse approfondie des modalités d'inversion de cette marge. L'étude menée se focalise sur la marge centre-algérienne, dans le secteur de Tipaza (à l'ouest d'Alger), un endroit clé pour la compréhension des mécanismes d'ouverture du bassin algérien. Le traitement et l'analyse de nouvelles données de sismique profonde grand-angle et multitrace acquises dans le cadre du projet franco-algérien SPIRAL (Sismique Profonde et Investigations Régionales en Algérie, 2009) ont notamment permis de déterminer la structure crustale du bassin algérien et de sa marge sud, ainsi que la structuration pseudo-3D d'une structure spécifique au secteur d'étude constituée par le haut topographique sous-marin de Khayr-al-Din. L'analyse de la structure profonde de la marge indique un certain nombre de structures héritées de son évolution complexe: (1) une croûte de nature continentale de plus de 15 km d'épaisseur sur le haut de marge (banc de Khayr-al-Din), (2) une croûte fine de nature océanique de 5-6 km d'épaisseur dans le bassin incluant des vitesses légèrement élevées à sa base (7,2 km/s - 7,3 km/s), (3) des similitudes avec des marges formées dans des contextes de déformation transformante, (4) un approfondissement progressif de l'ensemble de la pile sédimentaire et l'épaississement des sédiments Plio-Quaternaire, depuis le bassin profond distal vers le pied de marge, coïncidant avec (5) une flexuration à grande longueur d'onde du socle. Les résultats obtenus apportent de nouvelles contraintes sur (1) la géométrie et la nature de la marge et du bassin, (2) l'évolution de la marge, suggérant une histoire multiphasée comprenant un stade de rifting et/ou d'accrétion océanique, suivi d'un épisode de déformation coulissante tardive liée à la migration du bloc Alboran vers l'ouest, et d'une reprise en compression distribuée du bassin profond au haut de la marge au Plio-Quaternaire; (3) les modalités de réactivation qui se traduisent par des chevauchements aveugles néoformés à pendages sud, notamment au pied du banc de Khayr-al-Din, suggérant un soulèvement du banc de 0,2 mm/an à 0,75 mm/an au Plio-Quaternaire et un début d'écaillage crustal.