Glissements de terrain sous-marins géants sur des marges à hydrates de gaz : une comparaison entre les systèmes turbiditiques profonds du Nil et de l'Amazone – MEGA

Le projet est basé sur l’intégration de travaux d'observation des phénomènes naturels à partir de données géophysiques, géologiques et géochimiques, et de simulations numériques.

1. Observation des sorties de fluide/hydrates de gaz et des méga-glissements.

La caractérisation des morphologies du fond de mer et des architectures de subsurface des sorties de fluide associées aux hydrates de gaz et des méga-glissements à partir des données géophysiques et géologiques permettra de comprendre l'étendue et les caractéristiques du système des hydrates de gaz dans chaque cône sous-marin, et de contraindre leurs relations avec la distribution des structures facilitant la remontée des fluides vers le fond de mer. L'innovation viendra de l'utilisation du deep learning pour détecter et cartographier automatiquement les sorties de fluide sur le fond marin.

Les méga-glissements seront identifiés et cartographiés à partir des données géophysiques puis leurs périodes stratigraphiques de mise en place seront estimées et comparées aux variations climato-eustatiques. Ceci permettra d’estimer leur dynamique (ruptures géantes uniques ou multiples petits glissements) et d’évaluer leurs mécanismes de translation (mouvement rapide ou lent).

2. Modélisation de la dynamique des hydrates de gaz, du déclenchement de méga-glissements et de tsunamis.

La dynamique des hydrates de gaz sera modélisée par la combinaison innovante de deux logiciels : à l'échelle du bassin avec TemisFlow pour estimer les quantités de gaz microbiens et thermogéniques générées et leur migration dans la pile sédimentaire de 10 km d'épaisseur ; et à l'échelle de la GHSZ proche du fond de mer (<0.5 km) avec Tough+Hydrate pour comprendre la dynamique des hydrates de gaz face aux forçages climato-eustatiques, et aux variations de chaleur et des flux ascendants de fluides/gaz. Les paléo-températures de l'eau de fond seront estimées grâce aux analyses Mg/Ca effectuées sur les foraminifères benthiques issus des carottes.

La simulation du déclenchement des méga-glissements fournira des scénarios de ruptures de pente associées à la dissociation des hydrates de gaz. Un logiciel commercial d'éléments finis (OPTUM G2) sera utilisé pour quantifier la réduction de la résistance et les conditions de pression de fluides interstitiels qui pourraient expliquer ce déclenchement malgré les faibles pentes. Les propriétés mécaniques représentatives des sédiments viendront des forages existants et de mesures géotechniques effectuées sur les carottes.

La formation de tsunamis en réponse aux méga-glissements sera évaluée en Méditerranée orientale et en Atlantique Sud grâce aux résultats précédents. Ceci est d'une grande importance scientifique et sociétale car les méga-glissements historiques sont inconnus tout comme l’intensité de leur impact sur des littoraux densément peuplés. Ce travail utilisera le code numérique Shaltop, qui simule le déplacement des glissements de terrain, couplé au code 3D Navier-Stokes Freshkiss3d

A mi-parcours du projet, les deux premières tâches d’observation des phénomènes naturels ont été complétées pour les deux cônes détritiques du Nil et de l’Amazone. La première tâche concerne l’identification, la cartographie et la caractérisation de toutes les structures géologiques présentes au ou près du fond de mer. La seconde tâche concerne l’identification, la caractérisation et la datation des méga-glissements au cours de la période Plio-Quaternaire.

Pour la tâche 1, nous nous sommes concentrés sur la reconnaissance et l’analyse des mêmes objets géologiques au sein des deux zones d’études. Ceux-ci correspondent 1) aux structures de sorties de fluide (volcans de boue et pockmarks, présence de coulées de boue sur le fond marin et de panaches de bulles de gaz dans la colonne d’eau), 2) aux indicateurs de la présence d’hydrates de gaz (BSR), 3) aux structures tectoniques (failles, plis) liées à l'effondrement gravitationnel des deux cônes, 4) aux éléments des glissements sous-marins (cicatrices, conduits érosifs, dépôts de transport en masse, rides de compression, dépôts de coulées de débris), 5) aux architectures sédimentaires (canyons, chenaux, dunes).

Pour la tâche 2, à partir des données sismiques nous avons étendu l’intervalle stratigraphique étudié jusqu’au Miocène supérieur. Sur l’Amazone, nous avons identifié 25 méga-glissements de très grand volume (200-20000 km3) qui pour les plus grands pourraient correspondre à la superposition de plusieurs glissements. Sur le Nil, 21 méga-glissements ont été identifiés de plus petit volume (10-2000 km3) dont chacun correspondrait à un événement individuel.

Il ressort de ce travail que les deux zones d’étude contiennent des structures comparables, mais dans des proportions et avec des caractéristiques différentes. La cartographie par le développement de méthodes de deep learning a été un succès pour l'analyse des sorties de fluide associées à l’échappement du gaz dans l’océan, fournissant des résultats qui nécessitent encore d’être approfondis. Des centaines de sorties de fluide ont été reconnues dans les deux zones d’étude, formant des populations distinctes qui se trouvent dans des relations différentes avec le BSR, qui se présente sous la forme de ‘patches’ discontinus associés à des structures tectoniques. Sur le cône de l'Amazone, le BSR est fortement associé aux crêtes des anticlinaux, qui sont également les sources des surpressions de fluides à l’origine du volcanisme de boue. Sur le cône du Nil, le BSR est plutôt associé à des bassins délimités par des failles d'extension, qui contiennent peu ou pas de sorties de fluides ; en revanche, les pockmarks sont abondants le long de la pente vers l'ouest où les failles ne coupent pas le fond de mer mais sont enfouies sous des MTD géants empilés. Le fond marin des deux cônes est fortement affecté par des cicatrices de glissement et des dépôts associés, dont les caractéristiques suggèrent que les glissements à dynamique rapide seraient prépondérants.

Les tâches d'observation et de caractérisation des phénomènes naturels ayant été effectuées, nous avons débuté les deux premières tâches de modélisation.

Pour la tâche 3, les architectures types des deux marges de l'Amazone et du Nil ont été finalisées pour être importées dans TemisFlow.

Pour la tâche 4, une coupe synthétique en profondeur a été validée pour chacune des deux marges afin de débuter les premiers tests de modélisation de stabilité de pente.

Les glissements sous-marins géants (10-2000 km3) sont présents dans les séries sédimentaires Quaternaire des marges continentales passives. Si leurs âges coïncident avec des fluctuations eustatiques, il est encore difficile d’expliquer comment d’aussi grandes ruptures sont générées sur de faibles pentes (<2?) en l'absence d'un facteur déclenchant tel qu’un séisme. Des hypothèses proposent le rôle de la dissociation des hydrates de gaz et de l’augmentation des pressions interstitielles. Le projet MEGA explorera ces hypothèses grâce aux premières modélisations reliant la stabilité des hydrates de gaz, les variations de pression/température sur le fond marin et la stabilité des pentes. Il s’appuiera sur une comparaison innovante des systèmes du Nil et de l'Amazone, leurs forçages climatiques différant au cours des cycles glaciaires-interglaciaires. En l’absence de cas historiques de méga glissements, MEGA propose de modéliser leurs conséquences en terme de tsunami sur les zones côtières.