Circulation de fluide et subduction complète des sédiments de la plaque Cocos (≪ Leg ODP 170 ≫)

0 Academic OcCanographie

des sciences

/ Elsevier,

Paris

/ Oceanography

Circulation de fluide et subduction compkte des sediments de la plaque Cocos ((( Leg ODP 170 ))) Fluid jlow and complete subduction 170’)

of the Cocosplate sediments (‘Leg ODP

Gerard Blanca, Miriam Kastnerb, Andreas Liickge’, Eli Silverd, St6phane Audry” et I’6quipe scientifique de la campagne (( Leg ODP 170 )) a DCO, UMR CNRS 5805, EPOC, universite Bordeaux-l, 33405 Talence, France b Scripps Inst. Oceano., University of California, San Diego, 92093 La Jolla, itats-Unis c ICC-4, Forchungszentrum Jiilich GmbH, 52425 Jtilich, Allemagne d University California, Santa Cruz, Earth Sciences Department, 95064 Santa Cruz, kats-Unis (Requ le 15 fevrier 1999, accept6 aprits &vision

le 17 mai 1999)

Abstract - During ‘Leg ODP 170’, sediments were recovered from the incoming Cocos Plate, the frontal deformed wedge, the underthrust section and the apron which covers most of the Costa Rica slope. In situ temperature measurements, physical records (LWD) and chemical analyses of the sediment pore waters were also realized. Preliminary results of the Leg show that the regional low heat flow (12 mW.m-‘1 is certainly due to a sea water cooling of the uppermost crustal rocks. Fluids from deep origin circulate along the dkollemmt and through the deformed sedimentary wedge. 99 % of the incoming Cocos sediments are underthrust and the deformed wedge is made of material of the sedimentary apron that has flowed downslope to the toe of the slope and has been deformed by rapid and long term subduction beneath it. (0 Academic des sciences / Elsevier, Paris.) Costa Rica / convergent

margin

/ fluid flow / sediment

mass balance

R&urn6 - Au large du complexe ophiolitique de Nicoya (marge Pacifique du Costa Rica), les sediments odaniques de la plaque Cocos, ceux passant en subduction, ceux constituant la partie frontale du prisme et ceux recouvrant la partie interne du prisme d’accretion ont 84 &hantillonn& dans cinq sites au tours de la campagne (( Leg ODP 170 )). Les mesures physiques-temperature in situ, /ogging(LWD) - sont confrontees h I’analyse chimique des fluides interstitiels des sediments. Les premiers rksultats de la campagne montrent que les faibles valeurs de flux de chaleur determinees dans cette rCgion (12 mW.mm2) sont certainement dues au refroidissement du sommet de la croQte ocGanique du fait de cette circulation horizontale d’eau de mer plus froide. Des fluides d’origine profonde circulent le long du decollement et dans la s&ie dkformee de bas de pente. La s&ie oceanique est subduite 2 99 % et la skrie dbformke de bas de pente de la marge du Costa Rica correspondrait a un fluage dans la pente du tablier sedimentaire recouvrant le prisme interne, ce tablier etant dkforme progressivement par le sous-charriage de la plaque plongeante. (0 Acadkmie des sciences / Elsevier, Paris.) Costa Rica / marge en convergence

Note prCsent6e

/ fluide

/ circulation

/ bilan de masse shdimentaire

par Jean Dercourt.

* Correspondance et tin% ?I part. [email protected] C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences 1999.329,117-123

de la terre

et des plan&es

/ Earth & Planetary

Sciences

G. Blanc

et al.

Abridged version Introduction At the subduction zones, fluid flow and solid-liquid interactions play a central role in the deformational, thermal and geochemical evolution of active margins and may play an important role in oceanic geochemical budgets and earthquake processes. The main focus of the Leg 170 ODP was to determine mass and chemical balance and fluid flow processes at the Costa Rica convergent margin. The general objectives of the leg are (1) to determine the sediment, chemical, and fluid mass balances within the accretionary prism and the larger subduction system; (2) to test whether or not the prism is developing in equilibrium with the incoming sedimentary material and, if so, to quantify the partitioning of material into offscraped, underplated, internally shortened and subducted volumes; (3) to determine the effects of fluid on prism deformation. Leg 170 area off Costa Rica was designed to address these topics mostly because trenches have very few or no turbites and a sedimentary apron covers most of the Costa Rica slope. Five sites were drilled on the lower continental slope region off the Nicoya Peninsula yigure 2). Comparison of the lower plate reference Site 1039 with two sites on the lowermost slope (1040 and 1043) and two on the mid slope (1041 and 1042) shows that little if any of the incoming sediment is accreted frontally to the upper plate. Preliminary results presented herewith give chemical characteritics of the sampled interstitial fluids and show how the obtained chemical gradients provide information on the amount of accreted material at the toe of the prism.

Lithological and physical characteristics Sites 1039,1043 and 1040

at

A complete and undeformed stratigraphic reference section of the incoming sediment on the Cocos plate was obtained at Site 1039 (/Figure 2). Three sedimentary units were recognized. Unit 1 (Holocene-Late Pleistocene) consists of dark olive green diatomaceous ooze with ash layers. Unit 2 (Late Pliocene-Early Pleistocene) is distinguished by a sharp decrease in biogenic sediment. In the lower part of this unit silty clay interbedded with calcareous clay; ash layers are common throughout this unit, Unit 3 (Middle Miocene-Late Pliocene) exhibits a dramatic increase in biogenic sedimentation, changing sharply from the nearly barren clays of Unit 2 to calcareous and siliceous oozes; ash layers are sparse. One intrusive unit of glassy pyroxene gabbro with plagioclase glomerocrysts was encountered at the bottom of this hole. The entire wedge sequence penetrated at sites 1043 and 1040 consists primarily of homogeneous olive green silty clay to claystone. Drilling through the dkollement was achieved at both these sites. The entire underthrust sequence and gabbro intrusions, very similar to those in Site 1039, were cored at Site 1040. The major difference between Site 1039 and 1040 is the difference in thickness of the under-thrust corresponding units. Regional low heat flow on the incoming Cocos plate averages 12 mW.rn-a from surface heat flow (Langseth and Silver, 1996) and down hole temperature measurements at Site IO39 show values of 8 mW,m-‘. At Site 1040, the averaged heat-flow

118

C. R. Acad.

value into the underthrust serie is 8.9 mW,m-*. A reasonable explanation for such low values is sea water cooling of the uppermost cmstal rocks. Hydrogeochemistry at sites 1039 and 1040 supports this hypothesis.

Hydrogeochemistry

and fluid

circulation

The chloride depth profiles (figure 3) divided the sediment series into two sections. One is a low chlorinity zone in the deformed wedge. The second section is a sea water chlorinity zone in the underthrust section that is most similar to the chloride profile at the reference Site 1039. The Cl concentration depth profiles are dominated by a nonsteady-state behaviour with several Cl minima and their absence in the underthrust section. Cl concentrations lower than sea water have been recorded at Barbados (Blanc et al., 1988), Peru (Ederflield et al., 1990) and Nankai (Kastner et al., 1991) convergent margins ODP sites. The depth profiles of methane (Cl), propane (C3) and sulfate provide the opportunity to explain the Cl transient profiles @gur-e 4, for Site 1040). Below the sulfate reduction zone in the deformed wedge and above the sulfate increase in the underthrust sections, the methane concentrations are very high and consequently, most of this methane is biogenic. However, high propane concentrations occur in the deformed wedge with maxima corresponding to Cl minima (figure.?). This probably reflects an admixture of thermogenic gas. We infer that fluid has migrated along conduits and permeated the lower half of deformed wedge from a deep source. Assuming that the geothermal gradient is somewhat higher at the source region than the very low gradient measured at Site 1040 and at least comparable at that measured at Site 1041 (= 2.5 ‘C / 100 m), then the source region must occur at more than 4 km depth, because the minimum temperature required for thermogenic gas formation is 90-100 “C.

Compaction, fluid expulsion and tectonic erosion of the underthrust sections The very low-Si concentration observed at the bottom of sites 1039 and 1040 may indicate communication with low-Si fluid like sea water cfiguren. In this case, the sea water cooling of the basement could explain the low values of heat flow. Furthermore, the observed gradients of sulfate concentrations suggest that a vertical fluid advection occurs from the top of the oceanic crust through the sediment section, At Site 1039, this additional sulfate supply prevents its depletion to zero concentration. The Si concentration depth profile of the underthrust section is almost identical in detail to the profile observed at Site 1039, and Si minima and maxima are lithostratigraphically comparable. Considering a subduction rate of 87 mmy? and a compaction of 36 %, we calculated a fluid flow of 1 600 m3.km~‘.yr-’ from porewater expelled by compaction at Site 1040. This low value of fluid flow probably concerns the low thickness of the dkcollement(lower than 5 m), which is defined physically as a low density zone with low resistivity and low gamma ray values (Silver et al., 1998).

Sci. Paris, Sciences

de la terre

et des plan&es

/ Earth

& Planetary Sciences 1999.329,117-123

Hydrogbochimie

Comparison of the alcalinity depth profiles at Sites 1039 and 1040 (figure 6) indicates a compaction of 29 %, whereas phosphate profiles give a compaction of 16 % in absence of tectonic erosion. The difference between these values must be attributed to the truncation at the very top of the underthrust section. Calculation shows that only = 3 * 1 m are missing from the top, and consequently, = 99 % of the incoming sediments are being

et tectonique

de IQ marge

costaricaine

underthrust. A similar inference can be made from LWD data, which suggests up to 4 m of sediment scraped off near the toe in Site 1043. Hence, it is likely that the deformed wedge represents material of the sedimentary apron that has flowed downslope to the toe of the slope and has been deformed by rapid and long term subduction beneath it.

implication sur la deformation du prisme. Pour realiser ces objectifs, cinq sites ont ete fores : le site 1039, site de reference de la serie sedimentaire dans le domaine oceanique, les sites 1040 et 1043, localises en bas de pente, respectivement a I,6 et 1,3 km du front de deformation, et les sites 1041 et 1042, localis& 5 mi-pente, respectivement a 14 et 8 km du front du deformation (figure 7). La zone etudiee semblait etre un bon candidat pour repondre aux problematiques posees, car cette marge presente 3 caracteres physiographiques specifiques : (1) la quasi absence de turbidite dans la fosse, (2) la presence d’un tablier sedimentaire forme d’argilite silteuse hemipelagique, d’age Pleistocene a Miocene, qui recouvre le prisme interne et ainsi reduit la remobilisation par erosion sousmarine du materiel accrete, (3) le taux d’avancement du front de deformation vers le domaine odanique, qui est d’environ 2 mm.an-‘, soit moins de 3 % du taux de convergence. Les resultats preliminaires present& dans cet article donnent un apercu des caracteristiques chimiques des fluides interstitiels echantillonnes dans les sites 1039,1043 et 1040 et montrent comment les gradients de concentrations en elements chimiques apportent des informations sur les quantites de sediments accretes au niveau du front de deformation du prisme.

1. Introduction La comprkhension des bilans chimiques, ceux de masse sedimentaire et les processus de circulations de fluides sont des centres d’interet majeurs dans les etudes modernes des marges actives. Les fluides jouent un role fondamental sur la deformation et sur I’identite geochimique et thermique de ces marges oh se developpe un prisme d’accretion. Les reactions diagenetiques solide-liquide et les volumes importants de fluides lib&es sont susceptibles de modifier le bilan geochimique oceanique et doivent etre prises en compte pour comprendre le fonctionnement des zones sismogeniques. Sit&e au large du complexe ophiolitique de la peninsule de Nicoya, la marge du Costa Rica a ete force au tours de la campagne (( Leg 170 ODP )) (figure 7). Les objectifs de cette campagne etaient (1) de determiner des bilans de masse sedimentaire et chimique du prisme d’accretion et du systeme de subduction incluant l’arc volcanique, (2) de tester I’hypothese d’un developpement du prisme proportionnel aux apports de materiel sedimentaire oceanique en quantifiant la distribution du materiel accrete et souscharrie, (3) de caracteriser la nature des fluides et leur

+ .. .’

9'46'

9'44

\.

9' 42'

,?.

\.

Figure 1. Localisation ODP 170 sur la marge

des sites for& lors du Leg Pacifique du Costa Rica.

Location of ODP sites 1039-1043 margin of Costa Rica. C. R. Acad. Sci. Paris, Sciences 1999.329,117-123

off the Pacific

3'36 -86'

de la terre

16'.

et des plan&es

-86'

14'

/ Earth & Planetary

-86'

12'

Sciences

-86'

10

-66'08

-86'06

G. Blanc

et al.

2. Contexte

tectonique

Le regime tectonique general de cette region est controle par la convergence des plaques Cocos et Cardibes, a un taux de 87 mm.an-’ au large du Costa Rica (Prom et al., 1995). Le bloc panameen, qui inclut le Panama et le Sud-Ouest du Costa Rica, est limit6 au nord par la ceinture convergente nord-panameenne, qui s’etend de la c&e des Carai’bes, de Colombie jusqu’au Costa Rica (Silver et al., 1990). Au niveau du Costa Rica, la limite du bloc panameen est une zone de cisaillement lateral (Fisher et al., 1994 ; Protti et Schwartz, 1994). La limite entre les plaques Cocos et Nazca est materialisee par la zone de fracturation laterale du Panama. A l’ouest de cette zone, on trouve la dorsale Cocos qui est subduite sous le segment costaricien du bloc panameen.

3. CaractCristiques lithologique et physique des sites 1039,1043 et 1040 La serie sedimentaire complete du materiel de la plaque Cocos passant en subduction a et@ carottee au site 1039 (figure 2). Cette serie d’environ 380 m d’epaisseur presente 3 unites lithostratigraphiques : - Ul, d’age Holocene a Pleistocene, constituee de sediments hemipelagiques a diatomees intercalees de niveaux de cendres volcaniques ; - U2, d’age Pleistocene superieur a Pliocene inferieur, caracterisee par une alternance d’argilites silteuses et calcaires, avec de nombreuses intercalations de cendres volcaniques ; les Iits d’argilite calcaire sont plus abondants a la base de la serie ; - U3, caracterisee par une dominance des vases pelagiques calcaires associees a des vases a nannofossiles siliceux du Pliocene inferieur au Miocene moyen, par des cendres au Miocene superieur et par des vases a diatomees au Miocene moyen ; une intrusion de gabbro vitreux a pyroxenes et a plagioclases glomerulaires a ete atteinte au fond du puits.

Les puits 1043 et 1040 ont traverse la zone de decollement, marquant un fort contraste entre la serie non deformee subduite (Ul, U2 et U3 de 1039) et une serie superieure (PI et Tl), constituee d’argilites silteuses hemipelagiques saris carbonates, tres pauvres en diatomees et en niveau de cendres. Sur le site 1039, la porosite du sedimentdiminue avec la profondeur (figure2). Le decollement traverse dans les puits 1043 et 1040 marque un changement net de porosite, avec des valeurs superieures dans la serie subduite par rapport a la serie accretee. Les gradients de temperature et les flux de chaleur (figure 2) diminuent d’un facteur de l’ordre de 1,5 en dessous de 100 m de profondeur. Sur le site 1040, les valeurs les plus faibles de ces gradients sont enregistrees dans la serie deformee entre 200 m et le decollement ; dans la serie subduite les valeurs sont comparables a celles mesurees dans U2 et U3 de 1039. Le flux de chaleur et le gradient de temperature moyens de 1040 (6,7 mW.mm2 ; 7,2 “C.km-‘) sont plus faibles que ceux de Les flux de chaleur 1039 (8,3 mW.m-2 ; 9,6 “C.km-‘). determines lors de la campagne 170 confirment le flux de chaleur regional moyen de 12 mW.me2 (Langseth et Silver, 1996). La difference entre les faibles flux de chaleur mesures et le flux de 100 mW.me2, attendu pour une croClte oceanique vieille de 20 Ma passant en subduction au niveau de la marge convergente de Nicoya, implique que plus de 85 % de la chaleur provenant de la lithosphere est perdue avant qu’elle n’atteigne le plancher oceanique. Pour refroidir de la sorte une crofite oceanique, il faut faire intervenir un echange de chaleur entre cette croOte et l’eau circulant horizontalement. Nous verrons que nos donnees d’hydrogeochimie confirment cette hypothese.

4. HydrogCochimie fluide

et circulation

de

Les profils de la concentration en chlorure en fonction de la profondeur (figure 3) permettent de localiser la base de la zone de decollement. Ces profils mettent en evidence le comportement non conservatif des chlorures

Figure 2. Coupe schkmatique du prisme d’accr&ion du Costa Rica montrant la distribution de unit& lithologiques pour les sites 1039,1043 et 1040. Apparaissent Cgalement les valeurs moyennes des gradients thermiques (AT : “C.km-‘), des flux de chaleur (FQ : mW.m-‘) et des porositCs (q : %). sjm
Schematic

depth section across the Costa wedge showing the distribution of the lithological units at Sites 1039, 1043 and 1040. Also given the average values of thermal gradient (AT: “C.km-‘), heat flow (FQ: mW.mm2), and porosity (qx %).

C. R. Acad.

Sci. Paris, Sciences

de la terre

et des plan&es

I Earth & Planetary Sciences 1999 329,117-123

Hydrog6ochimie dans les eaux interstitielles des sbdiments, comportement marque par des concentrations en Cl inferieures a celle de I’eau de mer. Une telle observation a d6ja et6 faite pour le prisme de la Barbade (Blanc et al., 1988), la marge convergente du P6rou (Elderfield et al., 1990) et la fosse de Nankai’(Kastner et al., 1991). Les eaux interstitielles du site 1039 ont des concentrations en Cl proches de celle de I’eau de mer, 2 I’exception de faibles concentrations observ6es dans les 100 premiers mPtres de la s&ie Gdimentaire, avec un minimum de concentration de 545 mM (correspondant A une dilution de l’eau de mer de 2 %) entre 95 et 130 mbsf. Les profils des sites 1040 et 1043 sont stationnaires dans la partie subduite, avec des concentrations en Cl proches de celle de I’eau de mer, et sont caract&is& par une anomalie nCgative au niveau du d6collement. Ces profils sont transitoires dans la s&ie d6form6e (au-dessus du d&ollement), avec des valeurs moyennes de 2 (1043) a IO % (1040) infkrieures A celles de I’eau de meret plusieurs minima, dont les plus marqu& correspondent 2 une dilution de 28 % (1 040, 200 mbsf) et 7 % (1 043, 80 mbsf) par rapport A l’eau de mer. En accord avec les faibles valeurs de flux de chaleur dans la zone deformee, il semble que deux processus soient responsables des dilutions observCes. Les gradients negatifs pourraient &re attribuables a une alimentation diffuse de fluide froid, dont I’origine superficielle est sugg&ee par le gradient n6gatif en Cl du puits 1041. Toutefois, les minima en Cl sont attribuables & des apports de fluide chenalis6 le long de conduits tectoniques et dont l’origine peut Gtre d&erminee par I’interpretation de la distribution des concentrations en methane (Cl ), propane (C3) et sulfates par rapport A la profondeur (figure 4). Les concentrations en CH, montrent de fortes valeurs dans toute la partie accrWe, correl6es avec la disparition des sulfates, la chute des concentrations en CH, sous le d&ollement se faisant conjointement A une augmentation des teneurs en sulfate. Cette corr6lation nCgative entre ces deux profils met en Evidence que la m&hanogenGse intervient en dessous de la zone de reduction des sulfates et que ce CH, est principalement d’origine biogknique. Toutefois, on note de fortes concentrations en propane (C3), avec des anomalies positives au niveau du d6collement et autour de 200 m, correspondant aux deux anomalies nkgatives en chlore (figure 3). Ces deux anomalies en propane sug-

et tectonique

Cl (ppm) 1 1010010310’1~10’

0

de la marge

C3 (ppmf 5 10 IS 20 25 30

0

en chlore 1039, 1043

Chloride concentration holes 1039, 1043, and

waters

C. R. Acad 1999.329,117-l

in interstitial 1040.

Sci. Paris, Sciences 23

de la terre

loo 200

C

c + D % k

400 500 600 700

Figure I

4. Profils de methane s 1040. D = dkollement

Profiles

of methane

(Cl), de propane ; C = conduit

(Cl ), propane

(C3),

(C3) et de SO, de fluide.

and SO,

from

/ Earth

hole

pour

1040.

g&rent qu’au moins une partie du CH, est d’origine thermogenique et, en con&quence, que du fluide pauvre en Cl et riche en CH, circule au niveau du d&ollement et dans la s6rie d6formCe. En considbrant qu’au niveau de la region source de ces fluides, le gradient geothermique est superieur h celui mesure au niveau de 1040 et est au minimum comparable 2 celui de 1041 (12 km 5 I’est du site 1040), soit environ 2,5 “C / 100 m, la region source de ces fluides doit se situer A une profondeur supkrieure B 4 km, puisque la temperature minimum requise pour la formation de gaz thermogknique est de 90-l 00 “C.

5. Taux de compaction, expulsion de fluide et krosion tectonique de la sCrie subduite Les taux de compaction de la s&ie subduite peuvent @tre estim6s en comparant les profils d’alcalinit6, de phosphate et de silice dissoute de 1039 avec ceux obtenus dans la s&ie subduite de 1040. L’augmentation de pression lithostatique dans la s&ie subduite de 1040 est tr& certainement la cause de I’augmentation des concentrations en silice dissoute (+ 25 %) dans cette s&ie par rapport a celles de 1039 (figure 5). Les fortes diminutions de concentrations en silice & la base des profils de ces deux sites sont interpret& en terme de

from

et des planetes

(mM) SD4 s 10 15 20 25 xl

0

Cl

Figure 3. Profils des concentrations dans les eaux interstitielles des puits et 1040.

costaricaine

& Planetary

Sciences

(mM)

G. Blanc

et al.

percolation que. Ainsi,

d’eau de mer au sommet les faibles valeurs de flux

de la crofite de chaleur

oceanidetermi-

Alcalinity 0

5

(mM)

10

15

20

Alcalinity 25

0

10

20

(mM) 30

40

nees dans cette zone (figure 2) pourraient etre dues au refroidissement du sommet de la croOte oceanique par I’intermediaire de cette circulation horizontale d’eau de mer plus froide. La concentration en sulfate dissous augmente sous le decollement, depuis zero jusqu’a une valeur proche de I’eau de mer (figure 4). La disparition du sulfate resulte de I’oxydation de la mat&e organique par des batteries sulfato-reductrices. La reaugmentation des concentrations est attribuee a un apport de sulfates par diffusion moleculaire et, probablement, par advection verticale d’une partie du fluide circulant horizontalement sommet de la croQte basaltique. Dans 1039, cet apport sulfate masque partiellement la reaction diagenetique consomme ces ions sulfate. Dans la serie trations

8

(r

8

.*

au de qui (PM)

PO 4 tw)

le but d’estimer un taux de compaction moyen de subduite a 1040, nous avons correle les concenen silice dissoute les plus fortes et les plus faibles

PO4

de la partie centrale des profils 1039 et 1040 (figure 5). Cette correlation semble justifiee, puisque ces deux minima et maxima sont lithostratigraphiquement correles. Le taux de compaction moyen de la serie subduite est estime a 36 %. En considerant un taux de convergence de 87 mm.an-’ et un taux de compaction moyen de 36 %, le flux de fluide expulse de la serie subduite a 1040 serait au maximum de 1 600 m3.kmm2.an-‘. Puisque les fluides expulses des series subduites des zones de subduction le sont principalement au niveau de la zone de decollement (Le Pichon et al., 1990), cette est en accord avec la faible defini physiquement comme

faible valeur de flux de fluide epaisseur du decollement, une zone de faible densite,

avec des faibles valeurs de resistivite et de gamma (Silver et al., 1998). La stratigraphie indique qualitativement

la

Figure 6. Profils d’alcalinite et des concentrations dissous dans les eaux interstitielles du puits 1039 subduite du puits 1040. )19”n$< z&l

serie

sedimentaire force a 1039 est entierement presente dans les series subduites de 1043 et 1040. L’analyse des profils de sulfate, d’alcalinite et phosphate dissous de 1039 et 1040 permet de quantifier I’epaisseur de sediment erode tectoniquement par le sous-charriage de la serie subduite. L’oxydation de la mat&e dissous comme oxydant

organique et produit

Si (PM) 0

200

600

1000

utilise les ions de I’alcalinite.

sulfate Les

200

600

1400

1000

-

Alcalinity and dissolved in the underthrust section

DCcallement

phosphate of hole

concentrations 1040.

maxima d’alcalinite dans les profils 1040 (40 mM) peuvent @tre compares, production d’alcalinite sur consommation

en phosphate et dans la serie

in hole

1039

and

1039 (21 mM)) et puisque le rapport de sulfates est,

dans les deux cas, d’environ 1,3. La comparaison epaisseurs sedimentaires entre la profondeur de maxima et le sommet de la serie sedimentaire (base decollement dans compaction de 29 I’absence d’erosion trations en phosphates d’oxydation de la comparables entre

Si (PM) 1400

1040

u

rayonnement que

600

des ces du

le cas du 1040), donne un taux de % pour cette pile sedimentaire, en tectonique. Les gradients de concendissous (autre produit de la reaction matiere organique) sont parfaitement 1039 et 1040 (figure 6). La comparai-

son des intervalles sedimentaires compris entre les maxima de concentrations en phosphates dissous et les changements brusques de gradients negatifs observes a

Figure 5. Profils des concentrations en silice dissoute dans les eaux interstitielles du puits 1039 et dans la skrie subduite du puits 1040. 3:ys:;g”:;

1039 et 1040 donne un taux de compaction de 16 % pour le sommet de la serie subduite. En utilisant cette valeur de taux de compaction sur I’intervalle de profondeur compris entre la base du decollement (370 m) et le pit d’alcalinite (383,45 m), I’erosion tectonique au sommet de la serie

Dissolved section

subduite subduite.

silica of hole

concentrations 1040.

in hole

1039

and

in the

underthrust

C. R. Acad.

Sci. Paris,

Sciences

serait de 3 f 1 m, soit environ Ce resultat est en accord avec de

la terre

et des

planetes

/ Earth

1 % de la serie les donnees de

& Planetary 1999.329,

Sciences 117-123

Hydrog&ochimie

et tectonique

de

lo morge

costaricaine

correspondent pas 2 un prisme d’accktion. L’hypothese selon laquelle le developpement d’un prisme serait proportionnel aux apports de matkriel Gdimentaire oceanique accretk n’a done pu @tre testee. Ce contexte tectonique, surprenant pour une zone de subduction, favorise certainement la persistance d’une circulation d’eau de mer au sommet de la croDte oceanique. Cette circulation d’eau froide est t&s probablement responsable des faibles valeurs de flux de chaleur rkgionaux. Toutefois, une circulation chenalisee de fluide riche en CH, thermoghnique et pauvre en Cl existe dans la zone de decollement et affecte la chimie des eaux interstitielles des sediments d&form&. Ces sediments ont flu6 dans la pente depuis la s&ie sedimentaire recouvrant la partie interne du prisme et sont deform& par le sous-charriage des sediments subduits de la plaque Cocos.

LWD qui suggerent qu’au maximum, une Cpaisseur de 4 m de sediment est accretee au sommet de la s&ie subduite de 1043. Ainsi, 99 % de la skrie oceanique passerait en subduction et la skrie d6formCe de bas de pente de la marge du Costa Rica ne correspondrait pas 21 une accrktion frontale, mais rkulterait d’un fluage dans la pente d’une partie du tablier skdimentaire recouvrant le prisme interne. Cette accumulation Gdimentaire en bas de pente est progressivement dbformbe par le souscharriage de la plaque plongeante. Ce mod&le sedimentologique et structural s’accorde avec les profils de Cl, qui montrent des eaux plus diluees 211040 qu’2 1043.

6. Conclusions La campagne K Leg ODP 170 )) a clairement montre que les skies de bas de pente de la marge du Costa Rica ne

Remerciemenk.

Cet article constitue

la contribution

DGO-UMR

5805

7. RCfikences

Le Pichon X., Henry P. et Lallement S. 1990. Barbados accretionary complex, 1. Geophys. Res., Protti M. et Schwartz S.Y. 1994. Mechanics tion in Costa Rica: evidence from an aftershock 1991, Valle de la Estrella, Costa Rica, earthquake its, 13, 1093-l 107

Blanc G. et I’equipe scientifique du Leg ODP 110. 1988. Advection de fluides interstitiels dans les sCries sedimentaires du complexe d’accretion de la Barbade (Leg 110 ODP), Bull. Sot. g&o/. France, 8, IV, 453460 Elder-field H., sources of fluids phys. Res., 95,881

Kastner M. et Martin in sediments of the l-8828

J.B. 1990. Composition Peru subduction zone,

Fisher D.M., Gardner T.W., Marshall J.S. et Montero Kinematics associated with Late Cenozoic deformation Costa Rica: western boundary of the Panama microplate, 22,263-266 Kastner kai Trough vol. 1318

M., Gamo T. et GieskesJ.M. pore fluids, ODP site 808,

Langseth M.G. et Silver a region of exceptionally 891-894

C. R. Acod. 1999.329.117-123

Sci.

Paris,

no 1313.

E.A. 1996. low heat

Sciences

de

and /. geo-

la terre

et des

plon&tes

P. 1994. in central Geology,

Silver W.A., Reed D.L., Tagudin I.E., et Heil tions of the north and south Panama thrust belts Panama Orocline, Tectonics, 9,261-281

margin: Lett., 23,

/ Earth

in the

of back arc deformastudy of the April 22, (Mw = 7.7), Tecton-

Protti M., Guendel F. et McNally K. 1995. Correlation between the age of the subducted Cocos plate and the geometry of the WadatiBenioff zone under Nicaragua and Costa Rica, in : Mann P. (ed.), Geologic and tectonic development of the Caribbean plate boundary in thesouthern central America, Spec. Pap. Ceol. Sot. Am., 295

1991. Geochemistry of Nanin : Taira A. et al. (ed.), ODP, The Nicoya convergent flow, Geophys. Res.

Water flow 95,8945-8967

Silver E. and the Leg 170 Scientific ment subduction and implications America trench off Costa Rica, loides).,

& Plonetory

Sciences

of

D.J. 1990. Implicafor the origin of the

Party. 1998. fluid flow 23, 2, l-32

Complete in the

sediMiddle

123