Guillaume Baby

371 Pages·2017·26.41 MB·English

by  Guillaume Baby

ANNÉE 2017

THÈSE / UNIVERSITÉ DE RENNES 1
sous le sceau de l’Université Bretagne Loire

pour le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE RENNES 1
Mention : Sciences de la Terre

Ecole doctorale Sciences de la Matière
Guillaume Baby
Préparée à l’unité de recherche UMR 6118 CNRS
Géosciences Rennes
UFR Sciences et Propriété de la Matière

Mouvements Thèse rapportée par :

verticaux des marges Sylvie LEROY
Directeur de Recherche CNRS, Université Pierre et
passives d’Afrique Marie Curie / rapporteur
Sébastien CASTELLTORT
australe depuis Professeur, Université de Genève / rapporteur

et soutenue à Rennes
130 Ma, étude
le 23 Mars 2017
couplée : devant le jury composé de :
Jean BRAUN
stratigraphie de
Professeur, Université de Potsdam / examinateur
Maarten DE WIT
bassin - analyse des
Professeur, Université de Nelson Mandela
Metropolitan / examinateur
formes du relief
Olivier BROUCKE
Ingénieur, Expert sédimentologue, TOTAL /
examinateur
François GUILLOCHEAU
Professeur, Université de Rennes 1 / directeur de
thèse

Résumé
Le plateau sud-africain (ou Kalahari) est le plateau anorogénique le plus grand au
monde. Sa très grande longueur d’onde (×1000 km) et son altitude moyenne élevée
(1000-1500 m) impliquent des processus mantelliques. La cinétique et l’origine de ce
relief sont mal comprises. D’un côté, les études géomorphologiques le considèrent comme
un relief mis en place à la fin de l’intervalle Cénozoïque (<30 Ma). A l’inverse, les données
thermochronologiques montrent deux phases de dénudation pendant l’intervalle crétacé,
corrélées à des phases d’accélération du flux silicoclastique sur les marges, qui suggèrent
qu’il s’agirait d’un relief plus ancien hérité du Crétacé supérieur. Peu d’études ont porté
sur l’évolution du système terre-mer depuis le bassin versant en érosion aux marges en
sédimentation. Ce travail de thèse repose donc sur une double approche :
- Une analyse géomorphologique des formes du relief (surfaces d’aplanissement) à
terre, basée sur leur (i) cartographie, (ii) chronologie relative, (iii) relation avec les profils
d’altération et (iv) datation au moyen des placages sédimentaires et du volcanisme datés
qui les fossilisent.
- Une analyse stratigraphique de l’intervalle post-rift des marges, basée sur
l’interprétation de données de sub-surface (lignes sismiques et puits), réévaluées en âge
(biostratigraphie), pour (i) identifier, dater et mesurer les déformations des marges et de
leur relief amont , (ii) mesurer les flux silicoclastiques, produits de l’érosion continentale.
Un calendrier et une cartographie des déformations ont été obtenus sur les marges
et mis en relation avec les différentes générations de surfaces d’aplanissement étagées
qui caractérisent le relief du plateau sud-africain. Au moins deux périodes de déformation
ont été identifiées au Crétacé supérieur (92-70 Ma) et à l’Oligocène (30-15 Ma).
L’évolution est la suivante :
 100 - 70 Ma (Cénomanien à Campanien) : plateau à très grande longueur d’onde, peu
élevé (0-500 m), bordé à l’est par des reliefs plus hauts et plus anciens le long des
marges indiennes, qui agissent comme une ligne de partage des eaux entre l’océan
Atlantique et l’océan Indien. La déformation est initiée à l’est avec une flexuration
brève, à grande longueur d’onde, des marges indiennes aux alentours de ~92Ma. Cette
première surrection marque un paroxysme d’érosion enregistré par la mise en place
d’un delta géant sur la marge atlantique (delta de l’Orange). La déformation migre
ensuite vers l’ouest avec la croissance du bourrelet marginal atlantique entre 81 et 70
Ma. Le relief acquiert sa configuration actuelle comme l’indique une diminution du flux
silicoclastique sur la marge atlantique qui traduit un changement majeur du système
de drainage.
 70-30 Ma (Crétacé terminal-Paléogène) : période d’apparente non déformation. Le
relief est fossilisé et intensément altéré (latérites).
 30-15 Ma (Oligocène - Miocène inférieur) : deuxième surrection du plateau sud-
africain qui acquière sa topographie actuelle. La déformation semble plus importante
à l’est du plateau - flexure des marges nord indiennes initiée à ~25 Ma qui alimente les
grands deltas de l’océan Indien (Zambèze, Limpopo, Tugela).
 Le relief est fossilisé à partir du Miocène moyen, synchrone d’une aridification majeure
de l’Afrique australe.

Abstract
The South African (Kalahari) Plateau is the world’s largest non-orogenic plateau. It
forms a large-scale topographic anomaly (×1000 km) which rises from sea level to > 1000
m. Most mechanisms proposed to explain its elevation gain imply mantle processes. The
age of the uplift and the different steps of relief growth are still debated. On one hand, a
Late Cretaceous uplift is supported both by thermochronological studies and sedimentary
flux quantifications. On the other hand, geomorphological studies suggest a Late Cenozoic
uplift scenario (<30 Ma). However few attentions were paid to the evolution of the overall
geomorphic system, from the upstream erosional system to the downstream depositional
system. This study is based on two different approaches:
- Onshore, on the mapping and chronology of all the macroforms (weathering
surfaces and associated alterites, pediments and pediplains, incised rivers, wave-cut
platforms) dated by intersection with the few preserved sediments and the volcanics
(mainly kimberlites pipes).
- Offshore, on a more classical dataset of seismic lines and petroleum wells, coupled
with biostratigraphic revaluations (characterization and dating of vertical movements of
the margins - sediment volume measurement).
The main result of this study is that the South African Plateau is an old Upper
Cretaceous relief (90-70 Ma) reactivated during Oligocene (30-15 Ma) times. Its evolution
can be summarized as follows:
 100-70 Ma (Cenomanian to Campanian): low elevation plateau (0-500 m) with older
and higher reliefs located along the Indian side, acting as a main divide between the
Atlantic and the Indian Oceans. First uplift occurred in the east at ~92 Ma, with a fast
flexuration of the Indian margins. This initiates a paroxysm of the erosion (90-80 Ma)
with the growth of a large delta along the Atlantic margin (Orange delta). Deformation
migrated progressively westward and resulted on the growth of the Atlantic marginal
bulge between 81 and 70 Ma. Most of the present-day relief was probably created at
this time. This is supported by the decrease of the sedimentary flux which suggests a
reorganisation of the interior drainage pattern.
 70-30 Ma (Uppermost Cretaceous-Paleogene): most of the relief is fossilized and
weathered - relative tectonic quiescence.
 30-15 Ma (Oligocene-Early Miocene): second period of the South African Plateau uplift.
Most of the deformation took place along the Indian side of the Plateau (strike flexure)
feeding the Zambezi, Limpopo and Tugela deltas.
 Since at least Middle Miocene times, all those reliefs have been fossilized, with very low
erosion rates (x1m/Ma), in response to the major aridification of southern Africa.

Remerciements
Ce travail de thèse s’intègre dans la continuité du projet TopoAfrica initié en 2007
et porté par l’équipe de Rennes (J. Braun, O. Dauteuil, F. Guillocheau, C. Robin, D. Rouby -
Géosciences Rennes). L’objectif était de reconstituer l’évolution topographique de
l’Afrique depuis 300 Ma. Ce projet de thèse, plus spécifique à l’Afrique australe, a été initié
en 2014 et financé par Total dans le cadre du projet « mouvements verticaux des marges
passives ». Je tiens à remercier dans un premier temps les porteurs initiaux de ce projet
Philippe Bourges et Olivier Broucke (Total).
Je souhaite également adresser un grand merci à mon directeur de thèse François
Guillocheau pour : (1) m’avoir donné la chance de découvrir l’Afrique australe et sa
géologie extraordinaire, en particulier : la zone interdite (‘Sperrgebiet’) en Namibie, le
plateau du Kalahari et les montagnes du Dragon (‘Drakensberg’) en Afrique du Sud, et la
plaine du Limpopo au Mozambique ; (2) m’avoir fait confiance et offert une grande
liberté et (3) m’avoir appris un tas de choses, notamment comment apprécier un bon
cigare et un bon vin. Ma gratitude va également à ma co-encadrante Cécile Robin pour sa
grande disponibilité et son soutien. Je remercie également mon ancien directeur de
master Gérôme Calvès avec qui tout a commencé.
Je souhaite ensuite remercier l’ensemble des membres du jury, Sylvie Leroy,
Sébastien Castelltort, Jean Braun, Maarten de Wit, Olivier Broucke et François Guillocheau
qui ont accepté de lire et corriger mon travail. Merci pour l’intérêt que vous y avez porté
et pour les discussions que nous avons eues et pour celles à venir.
Je remercie également les membres des équipes de Total qui m’ont accueilli et aidé
lors de mes venues à La Défense (Paris) et au CSTJF (Pau). Je souhaite tout
particulièrement remercier Oliver Broucke et Massimo Dall’Asta (Total) pour leur
disponibilité et ce qu’ils m’ont appris en stratigraphie sismique ; Jean-Loup Rubino (Total)
qui m’a fait profiter de son expérience et a contribué à ma formation de sédimentologue
« de terrain » à l’occasion d’une mission dans le karoo du Basin de Tete au Mozambique.
Un grand merci également à François Martin (Total) qui m’a beaucoup aidé pour la gestion
des données et le fonctionnement de Sismage.
Je remercie également Brigitte Senut et Martin Pickford (Muséum National
d’Histoire Naturelle) pour l’invitation et l’organisation d’une extraordinaire mission de
terrain dans la Sperrgebiet en Namibie. Merci également à Olivier Dauteuil, présent lors
de cette mission, pour les discussions que nous avons pu avoir sur la géomorphologie de
la Namibie.
Je tiens à remercier tout particulièrement les stagiaires de Master 2 et contractuels
qui m’ont grandement aidé et sans qui, la réalisation de cette thèse n’aurait pas été
possible. Par ordre d’ancienneté : Jonas Ressouche, Carl Boulogne, Julien Morin, Carole
Picart et Alexandre Ortiz. Merci également à Marie-Paule Bertrand, Stéphanie de Verbigier
et les nombreuses autres personnes qui assurent les tâches administratives et qui ont
permis le bon déroulement de cette thèse.
Un grand merci également à mes amis rennais. Je pense d’abord à Marie avec qui
j’ai partagé mon bureau pendant quatre ans et Oliver’s mon colloc. Merci également à
Brendan, Polo, Camille, Justine, Tom, Tof, Gemma, Ro, la Que, La Deule, JP, Fernand, Nico,
Redj, Dani, Majid, Loïc, Zouzou, Carlos, Caro, Sage, Sylvia. Pour finir, merci à mes deux
compères toulousains Paul et Guillaume, à Charlène et à ma famille qui m’ont encouragé
et soutenu.

TABLE DES MATIERES
TABLE DES MATIERES .................................................................................................................................. 1
LISTE DES FIGURES ........................................................................................................................................ 9
CHAPITRE 1 : INTRODUCTION GENERALE ....................................................................................... 17
1.1 Structure du mémoire .................................................................................................................... 23
CHAPITRE 2 : CONTEXTE GEOLOGIQUE REGIONAL ...................................................................... 25
2.1 Conditions limites du sud de la plaque Afrique .................................................................... 27
2.1.1 Structure du manteau............................................................................................................. 27
2.1.2 Structure de la lithosphère ................................................................................................... 28
2.1.3 Eclatement du sud de Gondwana....................................................................................... 30
2.2 Le relief à terre : le plateau sud-africain.................................................................................. 32
2.2.1 La topographie de l’Afrique australe ................................................................................ 32
2.2.2 Le bassin du Kalahari ............................................................................................................. 32
2.3 Dynamique des marges .................................................................................................................. 34
2.3.1 La marge passive divergente sud-est atlantique ......................................................... 35
2.3.2 La marge passive transformante d’Agulhas .................................................................. 36
2.3.3 La marge passive du Mozambique .................................................................................... 39
2.3.4 Budgets et flux sédimentaires ............................................................................................. 41
2.4 Le magmatisme ................................................................................................................................. 42
2.4.1 L’évènement Jurassique inférieur à moyen : 185-166 Ma ....................................... 42
2.4.2 L’évènement à la transition Jurassique-Crétacé : 146-128 Ma .............................. 42
2.4.3 L’évènement Crétacé inférieur : 133-113 Ma ............................................................... 43
2.4.4 L’évènement Crétacé supérieur : 100-80 Ma ................................................................ 43
2.4.5 L’évènement Crétacé supérieur-Paléocène : 77-60 Ma ............................................. 43
2.4.6 L’évènement Eocène-Oligocène inférieur : 52-32 Ma ................................................ 44
2.5 Cinétique et origine du plateau sud-africain ......................................................................... 46
1
2.5.1 Les contraintes apportées par les études géomorphologiques ............................. 46
2.5.2 Les contraintes apportées par les études thermochronologiques ....................... 46
2.5.3 Les modèles de couplage manteau-lithosphère ........................................................... 47
CHAPITRE 3: UPLIFT HISTORY OF A TRANSFORM MARGIN, A VIEW FROM THE
STRATIGRAPHIC RECORD: The case of the Agulhas-Falkland / Malvinas transform margin
along the Indian Ocean side of the South African (Kalahari) Plateau ........................................ 49
3.1 Introduction........................................................................................................................................ 51
3.2 Geological setting ............................................................................................................................. 52
3.2.1 Kinematic evolution of the African and South American Plates along the Agulhas
Falkland Fracture Zone (AFFZ) ..................................................................................................... 52
3.2.2 Magmatism in south and south-east Africa ................................................................... 54
3.2.3 The South African Plateau uplift: present-day knowledge ...................................... 55
3.2.4 Sedimentary record of the margin: previous studies ................................................ 58
3.3 Material and methods ..................................................................................................................... 61
3.3.1 Data................................................................................................................................................ 61
3.3.2 Seismic Stratigraphy ............................................................................................................... 61
3.3.3 Age model.................................................................................................................................... 62
3.3.4 Isochore (thickness in TWT) maps ................................................................................... 63
3.3.5 Uplift characterization ........................................................................................................... 63
3.4 Durban (Thekwini) Basin fill evolution ................................................................................... 64
3.4.1 Seismo-stratigraphic framework (second order sequences - several 10 Ma):
distribution, architecture, sedimentology, and structural deformation ....................... 64
3.4.2 Sedimentary and deformation evolution of the Durban (Thekwini) Margin ... 75
3.5 Outeniqua Margin fill evolution .................................................................................................. 81
3.5.1 Nature of the acoustic basement and main structures .............................................. 81
3.5.2 Seismo-stratigraphic framework (second order sequences-several 10 Ma):
distribution, architecture, sedimentology, and structural deformation ....................... 84
3.5.3 Sedimentary and deformation evolution of the Outeniqua Margin ..................... 91
2