Bassins de rift à des stades précoces de leur développement

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Climat et tectonique, et en particulier les relations qui existent entre le soulèvement de la croûte continentale, induisant le développement de topographies élevées, et les processus d’altération et d’érosion, sont à l’origine des processus qui résultent en la formation de sédiments et la dissolution d’éléments chimiques dans les eaux. En particulier, la composition chimique des eaux joue un grand rôle dans le cycle biogéochimique de la Terre. La composition chimique de la fraction détritique est déterminée pour ses grandes lignes par la composition originelle des roches sources, leur degré d’altération, et les processus qui surviennent au cours de son transport et son accumulation. L’activité tectonique induit la formation des reliefs, qui deviennent les zones sources à la fois des éléments détritiques et solubles. Les conditions climatiques locales à globales (en particulier les paramètres température et précipitations) déterminent elles les paramètres physiques de l’altération et de l’érosion.

Les processus tectoniques possèdent tous une signature géochimique particulière inscrite dans les sédiments qu’ils génèrent, signature qui caractérise : 1) un signal de provenance, et 2) des mécanismes sédimentaires particuliers qui leur sont associés (Rollinson, 1993). Pour des sédiments tels que les grès, les relations existant entre leur composition géochimique, l’origine de ces sédiments et leur contexte tectonique sont des outils efficaces dans l’interprétation de roches et d’environnements anciens mal préservés. L’utilisation des compositions des sédiments en éléments majeurs (Bhatia, 1983; Roser and Korsch, 1986; 1988) et en éléments traces (Bhatia and Crook, 1986) dans des diagrammes d’identification se sont révélés fort efficaces dans la reconnaissance d’environnements tectoniques particuliers.

Afin de vérifier la véracité de certains diagrammes d’identification de contextes tectoniques dans le cas de sédiments anciens, il est possible de comparer les champs géochimiques identifiés à ceux définis pour des sédiments actuels déposés dans des contextes tectoniques parfaitement identifiés. Ceci a déja été fait (Bhatia, 1983; Bhatia and Crook, 1986; Roser and Korsch, 1986; Roser, 1996) mais de nouvelles données concernant des sédiments bien identifiés dans des contextes tectoniques reconnus afin d’affiner et valider définitivement les critères d’identification. Dans ce travail, nous utilisons des informations concernant des sédiments récents (Pléistocène supérieur à Holocène) dans un environnement tectonique parfaitement bien connu, celui du Système de Rift Est-africain. Dans ce contexte, deux exemples ont été choisis comme correspondant à des stades jeunes de la formation d’un bassin de rift. L’analyse des sédiments associés à ces contextes a permis de d’établir une signature chimique désormais représentative de stades précoces du rifting.

En ce qui concerne les recherches concernant les changements climatiques récents en Afrique, l’attention des chercheurs est essentiellement orientée vers les bio-indicateurs tels les pollens (e.g. Vincens et al., 1993; Vincens et al., 2005) et les diatomées (e.g. Gasse et al., 1989; Gasse et al., 2002), à l’opposé des marqueurs géochimiques. A ce jour, à l’exception de l’utilisation des marqueurs en géochimie organique dans les sédiments lacustres et en ce qui concerne l’Afrique, les recherches sur les lacs Ouest-africains et le lac Malawi (e.g. Schneider et al., 1997; Talbot and Laerdal, 2000; Johnson et al. 2004; Talbot et al., 2006), les marqueurs en géochimie sédimentaire n’ont été que très peu utilisés sur les sédiments récents, alors qu’ils l’ont largement été pour des séries sédimentaires anciennes (e.g. Fedo et al., 1997).

Le bassin de Makgadikgadi-Okavango-Zambèze (MOZ) est un vaste bassin intracontinental d’âge Plio-Pléistocène dont l’histoire est contrôlée par l’évolution d’un système de failles parallèles de direction NE-SW (Figure I-2). Ces failles délimitent depuis les extrémités sud et nord des bassins des lacs Tanganyika et Malawi un ensemble de fossés à histoire structurale complexe (fossés anciens d’âge Karoo, ou fossés plus récents). Au sein de cette structure MOZ, le Bassin de l’Okavango est un demi-graben dont la formation est liée à la croissance de trois failles de direction NE-SW, les failles de Gumare, Kunyere et Thamalakane. Le Bassin de l’Okavango est situé dans la zone climatique de l’Afrique du Sud centrale mais son bassin versant s’étend vers le nord-ouest jusqu’aux reliefs de l’Angola situés en zone tropicale.

Le Bassin du lac Tanganyika appartient à la branche ouest du Rift Est-africain, située en zone tropicale. Le Bassin de Mpulungu est le plus méridional des sept sous-bassins qui constituent le Bassin du Tanganyika (Tiercelin and Mondeguer, 1991). Sa structure est contrôlée sur son flanc sud-ouest par plusieurs failles de direction N140°, qui s’associent pour former la faille bordière de Mpulungu. Un groupe de failles de direction N30° et N70° intersecte la faille bordière de Mpulungu et contrôle la morphologie des bassins des lacs Mweru et Mweru-Wantipa (Figure I-3). Associés au Bassin de Mpulungu, ces deux bassins sont les plus septentrionaux du «Complexe Sud» (ou Branche sud-ouest) du Rift Est-africain (Mondeguer, 1991). Le Bassin de Mpulungu est le plus récent des sous-bassins du lac Tanganyika. Il s’est formé entre 4 et 2 millions d’années, le segment central du Tanganyika étant lui daté de 12-10 millions d’années (Cohen et al., 2000).

Le Rift Est-africain est célèbre pour les nombreuses découvertes de sites à hominidés anciens, qui ont donné lieu à une littérature fort abondante (Leakey et al., 1964 ; Patterson and Howells, 1967; Johanson and Taieb, 1976; Tattersall, 1993; Prat et al., 2005). La détermination de l’extension spatiale et temporelle des changements d’environnement occasionnés par les variations du climat en Afrique de l’Est et les phénomènes tectoniques liés au développement du rift, a fait l’objet d’études quantitatives afin de mieux comprendre et vérifier les différents scénarios d’évolution proposés pour les diverses populations d’Hominidés (Vbra, 1995; deMenocal et al., 2000; Behrensmeyer, 2006).

Table des matières

INTRODUCTION (VERSION FRANÇAISE)
0.1 Problématique
0.2 Organisation du manuscrit
INTRODUCTION (ENGLISH VERSION)
0.1 Statement of the problem
0.2 Organisation of the manuscript
I. STUDY SITE
I.1 The Makgadikgadi-Okavango-Zambezi Basin
I.2 Lake Tanganyika
I.3 Regional climate
II. SYNTHESIS OF PALEOCLIMATIC DATA FOR THE REGION
II.1 Last Glacial Maximum
II. 2 Deglacial period
II.3 The Younger Dryas Event
II.4 The Early Holocene
II.5 The Late Holocene
III. SUMMARY OF GEOCHEMICAL ANALYTICAL PROCEDURES
IV. CRYPTIC INDICATORS OF PROVENANCE FROM THE GEOCHEMISTRY OF THE OKAVANGO DELTA SEDIMENTS, BOTSWANA
IV.1. La géochimie des sédiments de l’Okavango comme indicateur de provenance
IV.2. Cryptic indicators of provenance from the geochemistry of the Okavango
Delta sediments, Botswana
IV.2.1. Introduction
IV.2.2. Geological setting
IV.2.3. Local setting
IV.2.4. Sampling and analytical procedures
IV.2.5 Petrography
IV.2.6 Major element composition
IV.2.7. Trace element compositions
IV.2.7.1. Transition metals
IV.2.7.2. Alkalis and alkali-earth elements
IV..2.7.3. High-field-strength-elements (HFSE), Th and U
IV.2.7.4. Rare earth elements
IV.2.8. Discussion
IV.2.8.1. Introduction
IV.2.8.2. Grain-size and density-controlled sorting
IV.2.8.3. Source area weathering and diagenetic processes
IV.2.8.4. Source rock lithology
IV.2.9. Conclusions
References
V. SEDIMENT GEOCHEMISTRY, PROVENANCE AND TECTONIC SETTING: APPLICATION OF DISCRIMINATION DIAGRAMS TO VERY EARLY STAGE OF INTRACONTINENTAL RIFT EVOLUTION, WITH EXAMPLES FROM THE OKAVANGO AND SOUTHERN TANGANYIKA RIFT BASINS
V.1. Géochimie et provenance des sédiments, contexte tectonique : application des
diagrammes de discrimination aux sédiments des phases précoces d’un rift
intracontinental, exemples des bassins de l’Okavango et du Sud Tanganyika
V.2 Sediment geochemistry, provenance and tectonic setting: Application of
discrimination diagrams to very early stages of intracontinental rift evolution, with
examples from the Okavango and Southern Tanganyika rift basins
V.2.1.Introduction
V.2.2. Geological setting
V.2.2.1. Classification of tectonic settings
V.2.2.2. Description of rift settings
V.2.2.3. The East African Rift System
V.2.2.4. Okavango Delta setting
V.2.2.5. Lake Tanganyika setting
V.2.3 Description of samples and analysis
V.2.4 Results
V.2.4.1 Discrimination diagrams using major elements
V.2.4.2 Discrimination diagrams and ratios of trace and rare earth elements
VI.2.5 Discussion
V.2.5.1 Inferred tectonic setting of the depositional basin
V.2.5.2 Provenance
V.2.6 Conclusions
VI. SEDIMENTOLOGICAL AND GEOCHEMICAL EVIDENCE FOR PALAEO-ENVIRONMENTAL CHANGE IN THE MAKGADIKGADI SUBBASIN IN RELATION TO THE MOZ RIFT DEPRESSION, BOTSWANA
VI.1. Changements paléo-environnementaux dans le sous-bassin de Makgadikgadi
en relation avec la dépression du rift de MOZ (Botzwana): approche géochimique
et sédimentologique
VI.2. Sedimentological and geochemical evidence for palaeo-environmental change
in the Makgadikgadi subbasin in relation to the MOZ rift depression, Botswana
VI.2.1. Introduction
VI.2.2. Study area
VI.2.3. Analytical techniques
VI.2.4. Topographic, Stratigraphic and Petrographic Results
VI.2.5. X Ray Diffraction and Geochemical Results
VI.2.6 Thin section and ESEM results
VI.2.7 Thermoluminescence Dating
VI.2.8 Discussion and Conclusions
VII. USE OF THE GEOCHEMICAL AND BIOLOGICAL SEDIMENTARY RECORD IN ESTABLISHING PALAEO-ENVIRONMENTS AND CLIMATE CHANGE IN THE LAKE NGAMI BASIN, NW BOTSWANA
VII.1. Enregistrement sédimentaire des variations du niveau du lac Ngami au
Pléistocène supérieur et à l’Holocène
VII.2 Use of the geochemical and biological sedimentary record in establishing
palaeo-environments and climate change in the Lake Ngami basin, NW Botswana
VII.2.1 Introduction
VII.2.2. Local setting and climate
VII.2.3. Previous work on climate change and lake levels
VII.2.3 1. Regional palaeo-environmental studies
VII.2.3.2. Palaeo-environmental studies conducted in the MOZ Basin
VII.2.4. Sampling and analytical procedures
VII.2.5. Topographic and stratigraphic results
VII.2.6. Geochemical characteristics of the Ng-02 samples
VII.2.6.1. Redox condtions
VII.2.6.2. Salinity and alkalinity levels
VII.2.7. Diatom composition of Ng-02 samples
VII.2.8. Palaeo-environmental interpretation
VII.2.9. Conclusions
Acknowledgements
VIII. MAJOR AND TRACE ELEMENT GEOCHEMISTRY OF LAKE TANGANYIKA SEDIMENTS: IMPLICATIONS FOR LATE QUATERNARY CLIMATIC VARIABILITY
VIII.1. Changements paléo-environnementaux dans le bassin du Tanganyika au
Quaternaire : approche géochimique des éléments traces et majeurs
VIII.2. Major and trace element geochemistry of Lake Tanganyika sediments:
implications for late Quaternary climatic variability
VIII.2.1. Introduction
VIII.2.2. Geological and limnological setting
VIII.2.3. Previous work on climate change and lake levels
VIII.2.3.1 Last Glacial Maximum
VIII.2.3.2 Deglacial period
VIII.2.3.3 The Younger Dryas cold event (ca. 12.5 – 11.5 kyr)
VIII.2.3.4 The Holocene
VIII.2.4. Description of cores
VIII.2.5. Sampling and analysis
VIII.2.6. Results
VIII.2.6.1 Major elements
VIII.2.6.1.1 Elements affected by weathering processes
VIII.2.6.1.2 Indicators of relative abundance of volcaniclastic debris in sediments
VIII.2.6.2 Trace elements
VIII.2.6.2.1. Indicators of relative abundance of volcaniclastic debris in sediments
VIII.2.6.2.2. Indicators of redox conditions
VIII.2.7. Discussion
VIII.2.7.1 Source area weathering
VIII.2.7.2 Palaeoclimatic conditions determined from volcanic ash in sediment
VIII.2.7.3 Redox conditions
VIII.2.8. Conclusions
IX. CONCLUSION