Nouvelles méthodes de cartographie sur le socle protérozoïque du Sud de Madagascar

Sur les ¾ de l’île de Madagascar et notamment dans le tiers Sud de l’île, affleurent des roches équilibrées dans le faciès granulite à amphibolite de haut degré, représentatives de la croûte continentale moyenne et inférieure. L’histoire de ces roches est liée à l’évolution néoprotérozoïque et cambrienne du Gondwana et notamment à une déformation en convergence (raccourcissement Est – Ouest dans la position actuelle de l’île). La particularité de l’évolution thermomécanique de Madagascar est la haute température (≈750°C) et la déformation associée à une migmatitisation importante et ubiquiste, avec parfois des circulations généralisées de fluides (supercritiques ou magmatiques) pervasifs ou localisés. Madagascar constitue donc une fenêtre exceptionnelle pour appréhender l’évolution de la partie profonde d’un domaine orogénique en convergence. Un des objectifs principaux de ce travail sera de contraindre la nature pétrologique et géométrique de ce domaine structural particulier

Madagascar bénéficie de nombreuses études géologiques, et notamment d’une cartographie géologique de terrain exceptionnelle réalisée par de nombreux Malgaches et Français jusque dans les années 60 (sous la direction de H. Bésairie). Cette cartographie de haute précision à été réalisée dans l’optique d’une succession lithostratigraphique à l’échelle de Madagascar et avec des connaissances anciennes du métamorphisme et de la tectonique. Il faudra attendre le milieu des années 80 pour la publication de nouveaux travaux modernes avec notamment le travail de C. Nicollet (7 années de coopération à Madagascar). D’autres travaux plus nombreux suivront 10 ans plus tard et apporteront de nouvelles données (datations nouvelles, carte de linéations d’étirement, analyses géochimiques). Toutefois ces travaux sont très limités géographiquement aux principaux axes routiers, et ils sont souvent mal repérés : les cartes géologiques des articles sont non ou mal géoréférencées, le type de projection est non indiquée ou faussé, c’est particulièrement le cas des reconstitutions paléogéographiques à l’échelle du Gondwana ; et la carte géologique de Madagascar n’a pas été actualisée depuis 1960.

Depuis septembre2003, un projet de cartographie moderne et d’inventaire des ressources minières est soutenu par la Banque Mondiale, les gouvernements Malgache et Français et particulièrement le service géologique de Madagascar (PGRM). Le travail de cette thèse s’inscrit dans ce projet, et est soutenu principalement par lui. Dans le cadre de cette recherche, j’ai pu accéder à de nombreuses données anciennes et modernes : gravimétriques, aéromagnétiques, spectrométriques, images satellite de haute résolution. La mise à la disposition de telles données est particulièrement importante à Madagascar, compte tenu des conditions de transport sur le terrain : difficiles voire impossibles même dans le cadre de missions de terrain de longue durée.

Histoire tectonique du Gondwana 

L’histoire de Madagascar est associée à celle du Gondwana. Le Gondwana représente approximativement le tiers des continents actuels, et contient environ 60% des ressources minérales mondiales (http://Gondwana.brgm.fr/). Il s’est assemblé et individualisé entre 700 Ma et 500 Ma, lors d’événements orogéniques néoprotérozoïques, par accrétion tectonique d’anciens cratons, d’arcs insulaires, et de reliques de croûtes océaniques. Ces cratons sont composés de terrains d’âges Archéen, Paléoprotérozoïque et Mésoprotérozoïque ; et sont euxmêmes issus de la fragmentation d’un autre supercontinent d’âge Mésoprotérozoïque, appelé Rodinia. Ce dernier est supposé s’être formé à 1 Ga à la fin de l’orogenèse Grenvillienne, par agglomération des blocs du supercontinent Columbia .

Au Néoprotérozoïque (entre 650 Ma et 600 Ma), des forces de tension ont progressivement développé des rifts continentaux au sein du Rodinia pour donner le Gondwana, la Laurentia, la Siberia et la Baltica. Le Gondwana englobe les ensembles précambriens de l’Amérique du Sud, de l’Afrique, de l’Australie, de l’Antarctique, du Sud de l’Europe et de la Chine. Vers 550 Ma, l’océan Iapetus s’ouvre entre la Laurentia et le Gondwana .

L’orogenèse Est-africaine (EAO), les différents modèles de paléoplaques 

A la fin du Néoprotérozoïque (~550 Ma), la collision entre les blocs Est et Ouest du Gondwana a donné le « Greater Gondwana », aussi appelé Pannotia. Cette collision correspond à une zone de déformation majeure qui traverse du Nord au Sud l’ensemble de l’Afrique de l’Est par la ceinture du Mozambique (Holmes, 1951). Les incertitudes sur la formation du Gondwana sont assez larges, avec des événements successifs. Des collisions de plusieurs micros blocs sont identifiées, mais sont assez mal définies ; et la localisation des structures majeures associées, comme les zones de cisaillements et les sutures océaniques, est très aléatoire.

Modèle de Stern et al., 1994-2007

L’analyse géochimique des roches a permis de caractériser et de définir l’évolution de la croûte continentale au sein de la ceinture du Mozambique. On distinguerait ainsi trois domaines d’âges :
i) un craton Néoprotérozoïque,
ii) un ensemble de croûtes archéennes remaniées au Néoprotérozoïque
iii) et une croûte Néoprotérozoïque juvénile (Stern, 1994; Stern, 2002; Stern, 2007). L’Orogenèse Est Africaine (EAO) serait alors définie sur la position des ensembles de croûtes juvéniles Néoprotérozoïques, pris entre ces croûtes plus anciennes remaniées. Des zones de sutures sont ainsi proposées .

Le socle précambrien de Madagascar

Les cycles orogéniques

L’orogenèse est tout processus conduisant à la formation d’un gradient de relief, soit un système montagneux édifié sur une portion de croûte (Foucault, 2001). En socle protérozoïque, de par l’absence de marqueur du relief et souvent la présence fréquente des latérites et des sédiments (récents), seul le magmatisme et le métamorphisme sont les indicateurs du cycle orogénique. La géochronologie absolue nous permet d’ordonner ces événements magmatiques et métamorphiques les uns par rapport aux autres, et parfois de mesurer leur durée. A Madagascar, la datation est complexe à synthétiser : les différentes méthodes utilisées n’ont pas été équivalentes, les techniques de datation ont évolué rapidement dans le temps ; ainsi, il n’est pas toujours aisé de comprendre la signification des âges obtenus. C’est le cas par exemple des granites sécants sur les zones de cisaillements (ZC), comme la cas des granites de Carion (peu déformés), qui sont invoqués pour caler la fin des évènements tectonométamorphiques transpressifs néoprotérozoïques – cambriens à ≈ 530 Ma (Grégoire et al., 2009).

Table des matières

Introduction
A- Evolution géologique et géodynamique de Madagascar, Synthèse
1- Histoire tectonique du Gondwana
2- L’orogenèse Est-africaine (EAO), les différents modèles de paléoplaques
2.1 – Modèle de Stern et al., 1994-2007
2.2- Modèle de Shackleton, 1996
2.3- Modèle de Muhongo et al., 2003
2.4- Modèle de Meert et al., 2003 – 2008
2.5 – Modèle de Boger et al., 2004
2.6 – Modèle de Collins et al., 2005 – 2007
3- Le socle précambrien de Madagascar
3.1- Les cycles orogéniques
3.2- Les grands ensembles litho tectoniques
3.2.1- Les ensembles Archéens
3.2.1.1- L’ensemble Antongil
3.2.1.2- L’ensemble Antananarivo
3.2.1.3- Les ensembles mafiques et ultramafiques, l’unité de Tsaratanana
3.2.2- La ligne de Suture de Betsimisaraka
3.2.3- Les ensembles supposés allochtones
3.2.3.1- Nappe de Bemarivo
3.2.3.2- Nappe d’Itremo – Ikalamavony
3.2.3.3- Nappe du Vohibory
3.2.4- L’ensemble granulitique Sud, l’Androyen et l’Anosien
3.3- Zones de cisaillement lithosphériques
4- Les événements tectono-magmatiques post-500 Ma à Madagascar
4.1- Les événements tectoniques post-500 Ma
4.1.1- L’ouverture du canal de Mozambique, les bassins sédimentaires malgaches
4.1.2- La séparation Inde-Madagascar
4.1.3- L’Extension du Néogène à l’actuel
4.2- Le système volcanique
4.2.1- Les provinces magmatiques du crétacé supérieur (turonien, 96 Ma et campanien, 65 Ma)
4.2.2- Le volcanisme du Néogène
B- Cartographie géologique par intégration, traitement et analyse des données
1- Géomatique et Système d’Information Géographique (SIG)
1.1- Systèmes de référence cartographiques
1.1.1- Géoïde de référence
1.1.2- Ellipsoïde de référence
1.1.3- Projections cartographique, critères de choix
1.1.3.1- Projection conique
1.1.3.2- Projection cylindrique
1.1.3.3- Projection plane
1.1.4- Les systèmes géodésiques de référence utilisés à Madagascar
1.1.4.1- Système géodésique de référence WGS84
1.1.4.2- Système géodésique de référence Tananarive 1925
1.2- Cartographie sous S.I.G. (Système d’Information Géographique)
1.2.1- Modélisation et représentation des entités
1.2.1.1- Mode raster
1.2.1.2- Mode vecteur
1.2.2- Gestion en base de données
1.2.2.1- Base de données alphanumériques
1.2.2.2- Base de données géographiques
1.2.3- Géo portail ou Webmapping
3.1- Cartes géologique et topographique
3.2- Données de terrain
4.1- Données électromagnétiques terrestre
4.2- Réflectance des minéraux, des roches et des sols
4.3- Traitement des données et interprétations géologiques préliminaires
4.3.1- Les images acquises (ortho-images Landsat 7TM)
4.3.2- Les traitements préalables
4.3.2.1- Mosaïque
4.3.2.2- Résolution radiométrique et résolution spatiale des images
4.3.3- Analyse en composante principale (ACP)
4.3.4- Analyse des bandes en composantes principales : CP10 – CP40 – CP61
4.3.4.1- Morpho-structures régionales
4.3.4.2- Extraction de domaine lithologique et des trajectoires de foliation
4.3.5- Extraction de discontinuités-images par analyse de la bande CP10
4.4- Conclusions Intermédiaires
5- Recherche de nouvelles méthodes et représentations cartographiques par analyse géostatistique des levers structuraux
5.1- Analyse spatiale de la répartition des angles de pendage
5.2- Analyse spatiale de l’horizontal du plan et de la direction du pendage
5.3- Analyse géométrique des trajectoires de foliation
5.4- Précision des limites des zones de cisaillement
5.5- Conclusions intermédiaires
6- Analyse de données géomorphologiques
6.1- Le Modèle Numérique de Terrain
6.2- Traitement des données et interprétations géologiques préliminaires
6.2.1- Les données acquises
6.2.2- Analyse géomorphologique régionale
6.2.3- Analyse du réseau hydrographique
6.3- Conclusions intermédiaires
7- Analyse des données gravimétriques
7.1–Données gravimétriques
7.1.1- Mesure de la gravité
7.1.2- Anomalie a l’air libre (FA)
7.1.3- Anomalie de Bouguer (BA)
7.2- Nature du signal gravimétrique
7.2.1- Densité des minéraux et des roches
7.2.2- Densité de la lithosphère
7.3- Traitement des données et interprétation géologiques préliminaires
7.3.1– Données gravimétriques du BGI (Bureau Gravimétrique International)
7.3.2- Interpolation des points, grille d’anomalie de Bouguer
7.3.3- Anomalie régionale et anomalie résiduelle
7.3.4- Projection horizontale de l’anomalie résiduelle
7.3.4.1- Analyse spatiale des classes de la projection horizontale de l’anomalie résiduelle
7.3.4.2- Effet de relief du gradient horizontal
7.3.4.3- Rehaussement vers le haut et profondeur du signal
7.3.5- Composante verticale (dérivée première) de l’anomalie résiduelle
7.4- Conclusions intermédiaires
8- Analyse des données radiométriques
8.1- Données de spectrométrie gamma
8.2- Nature du signal spectrométrique
8.2.1- Radiométrie des minéraux
8.2.1.1- Les minéraux à potassium
8.2.1.2- Les minéraux à thorium
8.2.2- Radiométrie des roches et des sols
8.3- Traitement des données et interprétations géologiques préliminaires
8.3.1- Données radiométriques aéroportées
8.3.2- Ré-interpolation et amélioration du rendu des grilles
8.3.3- Analyse des cartes traitées, et géométrie des zones de cisaillement
8.3.4- Identification d’ensembles lithologiques par imagerie ternaire et de classes
d’entités
8.3.5- Analyse statistique des classes d’entités, exemple de la région de Vohibory
8.4- Conclusions intermédiaires
9- Analyse des données aéromagnétiques
9.1- Données magnétiques terrestres
9.2- Nature du signal magnétique (susceptibilité magnétique des minéraux et des roches)
9.3- Traitement des données et interprétations géologiques préliminaires
9.3.1- Données aéromagnétiques
9.3.2- Interpolation des données, grilles d’images
9.3.3- Induction magnétique totale (B)
9.3.4- Aimantation rémanente, champ géomagnétique principal (H)
9.3.5- Champ géomagnétique résiduel terrestre H’
9.3.6- Extraction de la valeur de susceptibilité magnétique régionale à partir de H et H’
9.3.7- Valeur de susceptibilité magnétique locale
9.3.8- Composante verticale du champ magnétique résiduel
9.3.9- Dykes et susceptibilité magnétique
9.3.10- Détermination de la profondeur de la source magnétique par analyse du signal analytique
9.4- Conclusions intermédiaires
C- Nouvelle cartographie géologique par croisement de données
1- Zones de cisaillements lithosphériques
1.1- Définition des limites des zones de cisaillement
1.2- De nouveaux tracés et de nouvelles zones de cisaillement
2- Géométrie des structures fragiles (fracturation et dykes)
2.1- Nouvelle carte des fractures
2.2- Nouvelle carte des dykes
3- Signification des unités tectonométamorphiques : Cartographie et observations de terrain
3.1- L’ensemble de granites et syénites stratoïdes et gneiss migmatitiques à amphiboles
3.2- L’ensemble d’orthogneiss migmatitiques peu alumineux
3.2.1- Caractéristique lithologique
3.2.2- Texture des roches et double charnockitisation D1 – D2
3.2.3- Plis kilométriques et zone de transposition maximum ZC
3.3- Gneiss migmatitiques à amphibole, associés à des marbres et à des pyroxénites
3.4- Métasédiments alumineux
3.5- Les limites tectoniques principales et unités tectonométamorphiques
Conclusion 

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