Contexte général

Ce chapitre est consacré à la caractérisation de l’apport sédimentaire dans les laves de l’arc des Petites Antilles ; le contexte géologique de l’arc sera décrit ainsi que les échantillons. Ce travail a donné lieu à une publication scientifique. L’article est intégré au chapitre, puis une discussion complémentaire est présentée.

III.1. Contexte général

L’arc des petites Antilles est localisé à l’est de l’Amérique Centrale, le long de la bordure orientale de la plaque Caraïbe, entre 12°N et 18°N de latitude et à environ 62°O de longitude (figure III-1). Cet arc doit son existence à la subduction de la plaque océanique Atlantique sous le plateau océanique caraïbe, s’effectuant à une vitesse de 2.1 à 2.2 cm/an (Jordan, 1975; Minster et Jordan, 1978). Il mesure environ 800km de long pour un rayon de courbure de 450 km.

Figure III-1 : Carte bathymétrique et topographique de la région Caraïbe (source : GeoMapApp). Grenade

Barbade

Archipel des Grenadines St Vincent Ste Lucie Martinique Dominique Guadeloupe Montserrat St Kitts Saba îles Vierges Porto Rico St Martin Barbuda Antigua Marie Galante Tobago Trinidad Venezuela Anguilla PLATEAU CARAÏBE RIDE D’AVES LITHOSPHERE ATLANTIQUE PRISME DE LA BARBADE 100 Km N

Axe de contact entre la plaque Caraïbe et la

plaque Atlantique = fosse de subduction

 

La plaque caraïbe peut-être qualifiée de plateau océanique car elle est constituée d’une croûte océanique épaissie par de vastes épanchements basaltiques sur plusieurs kilomètres d’épaisseur. L’origine de sa formation reste cependant débattue dans la littérature : une hypothèse explique sa formation par un épisode de rifting suivi d’un d’épaississement lié à l’activité d’un point chaud (Meschede et Frisch, 1998) ; une autre l’explique par la migration du plateau océanique formé au préalable par l’activité du point chaud des Galapagos (Pindell et Barrett, 1990). A l’ouest du plateau caraïbe, la ride d’Aves est un relief sous-marin séparé de l’arc des Petites Antilles par le bassin de Grenade. D’après plusieurs auteurs (Bouysse et al., 1985; Pinet et al., 1985; Bouysse, 1988; Speed et Walker, 1991), cette ride correspond à un arc rémanent de l’activité volcanique ayant eu lieu au Crétacé supérieur et au Paléocène.

Le contact entre la plaque caraïbe et la croûte atlantique est parallèle à l’arc récent et se trouve à environ 170 km à l’est de ce dernier (Bouysse et al., 1990). Cet axe de contact correspond à la fosse de subduction (figure III-1 et 2) et il est très escarpé à partir de l’île de la Désirade jusqu’au passage d’Anegada. Sa profondeur atteint plus de 5000m au niveau du sud de Porto Rico (Bouysse et al., 1990). Depuis la Guadeloupe, en direction du sud, la fosse est comblée par une couverture sédimentaire d’épaisseur croissante: le prisme d’accrétion de la Barbade.

La croûte Atlantique sur laquelle repose le prisme de la Barbade, qui est subduite sous le plateau caribéen, est datée du Crétacé. Les anomalies magnétiques du plancher océanique sont représentées sur la figure III-2. L’anomalie magnétique 34 indique la fin de la longue période de polarité normal du Crétacé (Westbrook et al., 1984). Elle est datée à 84 Ma (Lowrie et Alvarez, 1981).

L’anomalie 34 étant bien identifiée le long de la fosse, et en se basant sur une vitesse de subduction de 2.2 cm/an, l’âge de la croûte atlantique entrant en subduction est ainsi estimé entre 83 Ma (Campanien inférieur) et 105 Ma (Albien supérieur) au niveau des latitudes de Saba et Saint Vincent respectivement (figure III-2 ; Carpentier, 2007).

L’arc insulaire, actif depuis au moins le Crétacé inférieur (Bouysse, 1988), présente une histoire volcanique complexe. Il est divisé en deux branches distinctes: l’arc externe, (correspondant à l’arc ancien), et l’arc interne (correspondant à l’arc récent) qui se rejoignent au niveau du sud de l’île de la Martinique (figure III-3).

 



Figure III-2: Carte schématique de la bathymétrie de la région étudiée montrant les principales anomalies magnétiques du plancher océanique Atlantique ainsi que les zones de fracture (modifiée d’après Speed et al., 1984 par Carpentier et al., 2008). L’âge de la croûte entrant en subduction est indiqué. Les localisations des sites de forage DSDP 543, 144 et de la Barbade sont indiquées par les étoiles.

L’activité volcanique de l’arc ancien, a duré de l’Eocène inférieur à l’Oligocène. Le front volcanique de l’arc ancien est repérable depuis Grenade au sud, jusqu’à Anguilla au nord. Après cette période d’activité volcanique, s’ensuivit une période de faible magmatisme causée par la subduction d’une ride asismique (Bouysse et Westercamp, 1988; Bouysse et al., 1990). Les rides asismiques se distinguent des rides médio-océaniques par l’absence de sismicité, et ne constituent pas des limites de plaques. Les plaques océaniques sont loin d’être uniformes elles sont souvent accidentées et présentent des reliefs de nature et de taille différentes (Bouysse, 1988). Lorsqu’une ride asismique est subduite, il en résulte des modifications importantes de la géométrie de l’arc volcanique, de la production magmatique et/ou de la sismicité de la zone (Bouysse et Westercamp, 1988). Aux Petites Antilles, durant la subduction de la ride, l’activité de l’arc ancien est arrêtée. Néanmoins cet arrêt de l’activité volcanique n’est pas généralisé. En effet, une faible activité volcanique se poursuit sur les îles de la Martinique, de Sainte Lucie et de Cariacou dans l’archipel des Grenadines (Bouysse et Garrabé, 1984), formant ainsi l’arc intermédiaire (en violet sur la figure III-3). La partie septentrionale de l’arc a été décalée vers l’ouest par rapport à l’arc ancien, par effet de butée du segment flottable (la ride asismique) contre le front rigide de la plaque chevauchante (Bouysse et Westercamp, 1988). L’activité volcanique de l’arc reprend par la suite, avec un décalage de la moitié nord du front de l’arc, d’une cinquantaine de kilomètres vers l’ouest. Il

 

en résulte la formation de la dépression de Kallinago, s’étendant du nord de la Guadeloupe jusqu’aux îles de Saba et Saint Martin (figure III-3).

De Grenade à la Martinique, l’activité volcanique récente et ancienne de l’arc, sont superposées. Les îles aux nord de la Martinique, faisant partie de l’arc ancien, sont majoritairement recouvertes de sédiments calcaires, ce qui leur vaut d’être nommées les « Antilles calcaires » (en jaune sur la figure III-3). La Martinique, de part sa position centrale dans l’arc, est un lieu particulier puisque l’activité volcanique des trois arcs (ancien, intermédiaire et récent) y est présente.



Figure III-3: Activité volcanique de l'arc au cours du temps, modifiée d'après Labanieh (2009). 

Dans le cadre de ce travail de thèse, nous avons choisi de travailler sur des échantillons parfaitement documentés. C’est pourquoi, grâce à une collaboration avec Catherine Chauvel (Université de Grenoble, laboratoire ISTerre) nous avons eu accès à des laves de la Martinique, ainsi qu’à des sédiments du site de forage DSDP 144 (Deep Sea Drilling Project 144). Les laves ont été étudiées par S. Labanieh (Labanieh, 2009; Labanieh et al., 2010; Labanieh et al., 2012), et les sédiments par M. Carpentier (Carpentier, 2007; Carpentier et al., 2008; Carpentier et al., 2009). Cela nous a permis de travailler sur des

Saba 12° 14° 16° 18° 60° 62° 64° Martinique Dominique Guadeloupe Sainte Lucie Saint Vincent Grenade Archipel des Grenadines

Montserrat Saint Kitts Antigua Barbuda Saint Martin Saint Barthelemy

Antilles Calcaires: substratum volcanique de l’arc ancien recouvert de sédiments calcaires Arc ancien: Activité volcanique Eocène - Oligocène (56 à 23 Ma)

Arc intermédiaire: Activité volcanique Miocène (23-5 Ma) Arc récent: Activité volcanique Plio - Pleistocène (<7.7 Ma)

 

échantillons dont la caractérisation chimique (majeurs et traces) et isotopique (Sr, Nd, Hf et Pb) avait déjà été réalisée.

III.2. Les sédiments du site DSDP 144

Le prisme de la Barbade constitue l’un des exemples les plus remarquables de prisme d’accrétion. Son épaisseur augmente du nord (latitude 19°) au sud (latitude 11°) de l’arc, passant de 200 m à 11 km d’épaisseur. L’île de la Barbade constitue l’unique partie émergée du prisme, dont l’épaisseur, à cet endroit, atteint les 20 km (Westbrook, 1975). Ce gradient d’épaisseur nord-sud des sédiments en front d’arc est attribué à la diminution des apports détritiques venant du continent sud-américain au fur et à mesure que l’on s’éloigne de ce dernier (Westbrook et al., 1984). De plus, la surface de la croûte océanique n’étant pas homogène (Rides de Tiburon et de Barracuda), le relief limite le transport des sédiments vers le nord de l’arc.

Les fleuves Amazone et Orénoque, qui drainent les produits d’érosion d’une grande partie du continent sud-américain (notamment les cratons précambriens guyanais et brésiliens), sont les principales sources de sédiments détritiques se déposant au large de l’arc des Petites Antilles.



III.2.1. Sites de forage

Les sites de forage DSDP 543, DSDP 144 et l’île de la Barbade sont reportés sur la

figure III-4 ; ils ont été largement étudiés précédemment (Hayes, 1972; White et al., 1985;

Ben Othman et al., 1989). L’étude la plus récente, et la plus complète, traite 79 échantillons provenant de ces trois sites (Carpentier et al., 2008; Carpentier et al., 2009). Il a été mis en évidence qu’une participation des sédiments du site 144, à la source des laves, explique les compositions en Pb et Nd des laves du sud de l’arc des petites Antilles. Notamment, les compositions plus radiogéniques en Pb du site 144, par rapport au site 543, suggèrent que ce site est plus représentatif des sédiments subduits participant à la source des laves du Sud de l’arc, qui présentent à la fois les compositions isotopiques les plus hétérogènes et les plus radiogéniques en Pb. C’est pourquoi nous avons focalisé ce travail sur l’étude des sédiments provenant du site 144.