Evolution volcano-tectonique de l’île de la Martinique (arc insulaire des Petites Antilles): nouvelles contraintes géochronologiques et géomorphologiques Aurélie Germa To cite this version: Aurélie Germa. Evolution volcano-tectonique de l’île de la Martinique (arc insulaire des Petites An- tilles): nouvelles contraintes géochronologiques et géomorphologiques. Géologie appliquée. Université Paris Sud - Paris XI, 2008. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00447342￿ HAL Id: tel-00447342 https://theses.hal.science/tel-00447342 Submitted on 25 Jan 2010 HAL is a multi-disciplinary open access L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est archive for the deposit and dissemination of sci- destinée au dépôt et à la diffusion de documents entific research documents, whether they are pub- scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, lished or not. 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UNIVERSITE PARIS XI UFR SCIENTIFIQUE D’ORSAY Ecole Doctorale 143 Dynamique et Physico-chimie de la Terre et des Planètes THESE présentée en vue de l’obtention du grade de Docteur ès Sciences de l’Université Paris XI Orsay Spécialité Sciences de la Terre par GERMA Aurélie EVOLUTION VOLCANO-TECTONIQUE DE L’ILE DE LA MARTINIQUE (ARC INSULAIRE DES PETITES ANTILLES): NOUVELLES CONTRAINTES GEOCHRONOLOGIQUES ET GEOMORPHOLOGIQUES Soutenance le 4 Décembre 2008 devant la Commission d’Examen: ARNAUD Nicolas Rapporteur BOUDON Georges Rapporteur FEUILLET Nathalie Examinatrice WEIS Dominique Examinatice GILLOT Pierre-Yves Examinateur QUIDELLEUR Xavier Directeur de thèse Résumé Nous présentons ici un travail qui combine des études de géochronologie, géochimie et géomorphologie sur l’île de la Martinique afin de contraindre l’évolution de l’activité volcanique de l’île. L’arc insulaire des Petites Antilles, double dans sa moitié nord, résulte de la subduction vers l’ouest de la plaque Atlantique sous la plaque Caraïbe à 2 cm/an. Grâce à sa position centrale où les deux branches nord se rejoignent, la Martinique est la seule île des Petites Antilles où l’histoire la plus complète de l’arc affleure. Nos âges K-Ar montrent que l’Arc Ancien a été actif de 25 à 21 Ma. L’Arc Intermédiaire s’est ensuite mis en place en milieu sous-marin puis subaérien entre 16 et 7 Ma. Au cours du Miocène, l’activité volcanique s’est déplacée vers l’ouest avec la mise en place de petits volcans monogéniques, alignés le long de failles, entre 3 Ma et 340 ka. Au même moment, le compartiment septentrional s’est édifié au niveau du volcan bouclier du Morne Jacob (5.5 – 1.5 Ma), du Complexe du Carbet (1 Ma – 322 ka), du Mont Conil (550 – 190 ka) et enfin de la Montagne Pelée. Nous avons mis en évidence l’étroite relation de l’évolution chimique des laves et des taux d’éruption avec les modifications de surface, ainsi que l’influence de la subduction de rides asismiques sur la migration et la répartition de l’activité volcanique à travers et le long de l’arc. En conclusion, notre compilation de 56 nouveaux âges K-Ar entre 26 Ma et 190 ka, nous permet de mieux contraindre les différentes phases volcaniques de l’île de la Martinique, et d’identifier des épisodes de forte production magmatique liés aux changements géodynamiques régionaux et/ou les événements d’effondrement de flanc. Mot clés : Martinique, Petites Antilles, Géochronologie K-Ar, Volcanisme, Subduction, Géomorphologie Volcano-tectonic evolution of Martinique Island (Lesser Antilles Island arc): new geochronological and geomorphological constraints Abstract This thesis combines geochronological, geochemical and geomorphological studies on Martinique Island to constrain the evolution of its volcanic activity. The Lesser Antilles Island arc, which is double in its northern part, was built in response to the subduction of the Atlantic plate under the Caribbean plate. Due to its central position where the two northern arcs merge, Martinique is the island where the most complete history of the arc can be found. Our K-Ar ages show that the Older Arc has been active from 25 to 21 Ma. Then, the intermediate arc was emplaced in a submarine and then subaerial context between 16 and 7 Ma. During the Miocene, volcanic activity migrated westward and small monogenetic volcanoes erupted along faults, between 3 Ma and 340 ka. Simultaneously, the northern compartment has been built within the Morne Jacob shield volcano (5.5 – 1.5 Ma), the Carbet Complex (1 Ma – 322 ka), Mont Conil (550 – 190 ka), and finally the Mount Pelée. We have shown the relationship between the chemical evolution of the lavas and of the time-average eruptive rates with surface changes, as well as the influence of subducted asismic ridges on the volcanic migration and volcano spacing along and across the arc. To conclude, our dataset of 56 new K-Ar ages ranging from 26 Ma to 190 ka allow us to better constrain the different building stages of Martinique Island, and to identify high magmatic production rates linked to regional geodynamic changes or flank collapse events. Keywords : Martinique, Lesser Antilles, Geochronology K-Ar, Volcanism, Subduction, Geomorphology. Je tiens à remercier en tout premier lieu Xavier Quidelleur qui a dirigé cette thèse après m’avoir encadrée lors de mon stage de Master 2. Tout au long de ces années, il a su orienter mes recherches aux bons moments et a toujours été disponible pour toutes les questions que je me posais. Il a été présent pour m’apprendre le travail de terrain et de laboratoire relatifs à la méthode Cassignol-Gillot. Pour tout cela et sa confiance, je le remercie vivement. J’adresse également mes remerciements aux rapporteurs de ce manuscrit, Georges Boudon et Nicolas Arnaud, pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail. Merci également aux autres membres du jury, Nathalie Feuillet, Dominique Weis et Pierre- Yves Gillot pour avoir accepté de juger ce travail. Merci à tous les membres du Laboratoire de Géochronologie : Je remercie Pierre-Yves Gillot pour m’avoir accueillie dans son laboratoire dès le Master 2 et qui m’a permis de poursuivre dans la Recherche en Volcanologie. Je suis extrêmement reconnaissante envers Pierre Lahitte qui s’est montré particulièrement motivé à participer à ce travail, tout d’abord en nous accompagnant sur le terrain en 2007, puis ces derniers mois, voire ces tous derniers jours, pour les études de géomorphologie. Je le remercie de m’avoir initiée aux SIG et de m’avoir aidée à reconstruire les édifices récents de la Martinique. Merci à Jean-Claude Lefèvre pour sa disponibilité et ses conseils pour l’utilisation de la machine infernale (Hadès), ainsi que son infinie culture générale ; Merci à Anthony Hildenbrand; Guillaume Delpech ; Gilles Guérin et Raphaël Visocekas pour les discussions et conseils stimulants que j’ai pu recevoir de leur part à tous. Une pensée pour Jean-Pierre Vilotte et sa rapidité à réaliser toutes les lames minces et découper la plupart des échantillons, ainsi qu’à François Elie pour la fabrication des pièces indispensables à nos lignes d’analyse. J’ai eu beaucoup de plaisir à collaborer avec Shasa Labanieh et Catherine Chauvel, du Laboratoire de Géodynamique des Chaînes Alpines, à Grenoble. Merci à Catherine pour sa gestion des programmes DiYeti et ANR Antilles et les échanges bénéfiques qui ont découlé de nos rencontres. Un TRES grand merci à Shasa, que j’ai rencontrée lors de notre première mission en Martinique, pour sa bonne humeur et son entrain sur le terrain, qui ont apporté de la gaité aux deux missions et à nos rencontres de travail. Je remercie également les membres de l’Observatoire Volcanologique de la Montagne Pelée qui nous ont accueillis lors de nos séjours en Martinique. Je n’oublie pas non plus mes camarades étudiants du 504 avec qui j’ai partagé séries de potassium, recharges des fours, mesures, thé, café, bureau, repas, soirées, etc etc. Merci à Agnès pour tous les échanges qu’on a pu avoir concernant les Antilles ou tout autre sujet. Merci à Virgile qui fait preuve d’une incroyable disponibilité pour m’apprendre les joies du quadrupole et des tests d’expérimentation. Merci à Tiffany pour sa compagnie dans le bureau et les salles de manip’. Merci à Erell, Julie et Maud pour toutes nos discussions, mais surtout pour leur allégresse et leurs sourires de tout instant. Les garçons, Amer, Thomas et Sébastien, et les différents étudiants de M1 et M2 qui se sont succédé au laboratoire. Une pensée pour la famille Izard, Mylène et les amis de Gruissan. Une pensée amicale à Eline que je connais depuis maintenant 6 ans. J’espère savourer encore très longtemps sa convivialité et son amitié sans faille ! Enfin, et SURTOUT, je remercie ceux qui m’accompagnent au jour le jour. En tout premier lieu, évidemment, mes parents, mon frère et ma sœur qui ont toujours été là depuis 26 ans maintenant, pour m’aider à prendre le bon chemin et me soutenir dans cette voie que j’ai choisie. Les autres membres de ma famille, grands- parents, oncles, tantes, cousins et cousines, ainsi que Didier, Muriel, Marie et Fanny, Sylvain et sa famille. Sylvain, qui est à mes côtés depuis déjà 5 ans, m’a fait découvrir la Réunion, l’Indonésie, l’Islande, et avec qui j’espère fouler beaucoup d’autres contrées. Merci à vous d’être là ! il y a des volcans qui se meurent il y a des volcans qui demeurent il y a des volcans qui ne sont là que pour le vent il y a des volcans fous il y a des volcans ivres à la dérive il y a des volcans qui vivent en meutes et patrouillent il y a des volcans dont la gueule émerge de temps en temps véritables chiens de la mer il y a des volcans qui se voilent la face toujours dans les nuages il y a des volcans vautrés comme des rhinocéros fatigués dont on peut palper la poche galactique il y a des volcans pieux qui élèvent des monuments à la gloire des peuples disparus il y a des volcans vigilants des volcans qui aboient montant la garde au seuil du Kraal des peuples endormis il y a des volcans fantasques qui apparaissent et disparaissent (ce sont jeux lémuriens) Il ne faut pas oublier ceux qui ne sont pas les moindres Les volcans qu’aucune dorsale n’a jamais repérés Et dont de nuit les rancunes se construisent il y a des volcans dont l’embouchure est à la mesure exacte de l’antique déchirure. Aimé Césaire, « Dorsale Bossale », Moi Laminaire, 1982. Préambule …………………………………………………………11 CHAPITRE I : Généralités et données antérieures sur le contexte géodynamique de la Martinique …………………………………………...17 Introduction…………………………………………………………………………19 1. La Plaque Caraïbe……………………………………………………………….19 2. L’arc insulaire des Petites Antilles ……………………………………………..25 2.1. Généralités 25 2.2. Segmentation de l’arc et modèle tectonique 27 2.3. Dissymétrie croisée 30 2.4. Arc double 32 2.5. Magmatologie 35 2.6. Evolution géologique 38 3. La Martinique……………………………………………………………………42 3.1. Généralités 42 3.2. Géologie 44 3.2.1. Evolution géologique 45 3.2.2. Séries volcaniques 48 Conclusions…………………………………………………………………………..51 CHAPITRE II : Matériel : échantillonnage et pétrographie …………….53 Introduction 55 1. Arc ancien 62 2. Arc intermédiaire 65 2.1. La chaîne Vauclin-Pitault 65 2.2. Volcanisme du Sud-Ouest martiniquais : Axe Ducos-Pavillon 68 3. Arc récent ……………………………………………………………………..70 3.1. Volcanisme de la presqu’île de Trois Ilets 70 3.2. Le volcan bouclier du Morne Jacob 74 3.3. Le complexe du Carbet 78 3.4. Le complexe du Mont Conil 81 3.5. La Montagne Pelée 83 Conclusions ……………………………………………………………………..85 CHAPITRE III : Chronologie de l’arc ancien en Martinique (Article) 87 “First radiometric (K-Ar) ages of the oldest volcanism of Martinique Island: Insights about the onset of arc volcanism in the Lesser Antilles, and calibration of the Oligocene / Miocene boundary”; Germa A., Quidelleur X., Labanieh S., Chauvel C. Submitted to International Journal of Earth Sciences………………………………………..89 Abstract – Keywords ……………………………………………………………....90 1. Introduction……………………………………………………………………..91 2. Geologic setting of the Lesser Antilles Island arc………………………......…91 2.1. The Limestone Caribbees 92 2.2. Martinique Island 93 3. Material and method……………………………………………………………95 3.1. Sampling 95 3.2. Geochronology: K-Ar dating 96 4. Results……………………………………………………………………………97 4.1. Petrology and geochemistry 97 4.2. K-Ar ages 97 5. Discussion ………………………………………………………………………98 5.1. Onset of the older arc activity in the Lesser Antilles 98 5.2. Insights on the Oligocene-Miocene Boundary 99 6. Conclusions……………………………………………………………………...103 Acknowledgements…………………………………………………………..…104 References ……………………………………………………………………...104 Figures and table captions……………………………………………………..111 Figures and table ……………………………………………………………...113 CHAPITRE IV : Chronologie éruptive de l’arc intermédiaire et de l’arc récent au sud de la Martinique…………………………………………..119 Introduction………………………………………………………………………121 1. Contexte……………………………………………………………………………122 1.1. La chaîne sous-marine Vauclin-Pitault 122 1.2. Volcanisme fissural du sud et du sud-ouest martiniquais 124 1.3. Volcanisme à Grenat de Gros Ilet 124 1.4. Volcanisme plio-pleistocene de la presqu’ile des trois ilets 125 2. Méthodes………………………………………………………………………….126 2.1. Echantillonnage 126 2.2. Géochronologie 127 2.3. Géochimie 127 3. Résultats…………………………………………………………………………..128 3.1. Géochimie 128 3.1.1. L’arc intermédiaire 129 3.1.2. Le volcanisme de Trois Ilets 129 3.2. Géochronologie 132 3.2.1. La chaîne Vauclin-Pitault 132 3.2.2. Le volcanisme du Sud-Ouest 133 3.2.3. Le volcanisme de Trois Ilets 133 4. Discussion…………………………………………………………………………136 4.1. Comparaison avec les âges disponibles 136 4.2. Durés d’activité 139 4.2.1. La chaîne Vauclin-Pitault et le volcanisme du Sud-Ouest 139 4.2.2. Le volcanisme de Trois-Ilets 141 4.3. Migrations du front volcanique 144 4.4. Subduction de la ride de Sainte Lucie : implications sur le magmatisme et l’activité volcanique 146 Conclusions……………………………………………………………………….149 CHAPITRE V : Chronologie de l’arc récent dans le compartiment nord de la Martinique (Article)………………………………………………………151 “The eruptive history of Plio-Pleistocene volcanism in northern Martinique Island (French West Indies): new K-Ar ages and volume calculations”; Germa A., Quidelleur X., Labanieh S., Chauvel C.; To be submitted to Journal of Volcanology and Geothermal Research…………………153 Abstract- Keywords ………………………………………………………………………154 1. Introduction…………………………………………………………………………...155 2. Geological setting……………………………………………………………………..156 2.1. Lesser Antilles Island arc 156 2.2. Martinique Island 157 2.2.1. Morne Jacob Volcano 158 2.2.2. Carbet complex 158 2.2.3. Conil complex and Montagne Pelée 159 3. Materials and methods ……………………………………………………………..160 3.1. Sampling technique 160 3.2. Geochronology: K-Ar dating 161 3.3. Volume estimations 162 4. Results… ……………………………………………………………………………..163 4.1. Macro- and microscopic identification 163 4.2. Morne Jacob Volcano 165 4.2.1. K-Ar ages 165 4.2.2. Volumes and eruptive rates 165 4.3. Carbet complex 166 4.3.1. K-Ar ages 166 4.3.2. Volumes and eruptive rates 167 4.4. Conil complex 167 4.4.1. K-Ar ages 167 4.4.2. Volumes and eruptive rates 168 5. Discussions…………………………………………………………………………….169 5.1. Morne Jacob 169 5.1.1. Spatio-temporal evolution 169 5.1.2. Chemical evolution 171 5.1.3. Creeping of the northeastern sector 171 5.2. Carbet complex 173 5.3. Conil Complex and Montagne Pelée 174 5.4. Reconstruction of northern Martinique Island 175 6. Conclusions……………………………………………………………………………176 Acknowledgements 177 References 177 Figures and Tables captions 184 Figures and Tables 186 CHAPITRE VI : Synthèse, conclusions et perspectives…………………..197 Introduction ……………………………………………………………………………..199 1. Apports de la géochronolofie K-Ar Cassignol-Gillot…………………………..200 1.1. Ages disponibles avant cette étude 200 1.2. Nouvelles données K-Ar 201 1.2.1. Fiabilité des mesures 201