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L’île de Sulawesi est le produit d’une histoire géologique et géodynamique très complexe. Cette île, en forme de K, se situe à la conjonction de trois plaques (plaques Pacifique, Philippines et Indo-Australienne ) et du bloc de la Sonde (Sunda) qui possède une dynamique indépendante de la mégaplaque Eurasienne. La haute sismicité dans la région de Sulawesi-Halmahera prouve que les déformations y sont importantes. Elles impliquent plusieurs collisions et rotations de blocs continentaux, arc insulaires et autres secteurs océaniques.

Fig. 1a. Contexte géodynamique global de l'Asie du SE

Fig. 1b. Contexte géodynamique global de l'Indonésie (flèches : déplacement en mm/an)

Fig. 2. Complexité de la tectonique globale en Asie du SE -- Earthquake Occurrences in the Northern Part of Indonesia 2008-2009

Olivier Bellier, Michel Sébrier,Thierry Beaudouin,Michel Villeneuve,Regis Braucher,Didier Bourlès,Lionel Siame,Eka Putranto et Indyo Pratomo

Fig.3b Distribution spatiale des foyers des séismes de 1973 à aujourd'hui répertoriés par l'USGS/NEIC. En rouge : subduction vers l'Ouest de Sulawesi Nord ; en vert : subduction vers l'Est d'Halmahera; en bleu: subduction vers l'Ouest-Sud-Ouest du bloc de la Mer de Banda (poussé par la plaque Australienne). Diagrammes & modèle ©.Alino

Modèle VRML (logiciel gratuit de visualisation de fichiers VRML);  ©.Alino

La zone de suture d'âge Néogène de Sulawesi-Halmahera-- Mécanisme de double subduction

L’île de Sulawesi, située en Indonésie orientale, se situe en gros à la jonction triple des plaques Pacifique (via la plaque des Philippines), indo-australienne et eurasienne. Sa forme particulière résulte d’une histoire complexe de collisions et de rotations ultérieures de lambeaux continentaux, d'arcs insulaires et de domaines océaniques au contact du bloc de la Sonde (Sunda), à savoir le sud-est de la plaque eurasienne. Actuellement, Sulawesi est traversée obliquement par l'un des principaux systèmes de failles limitant la plaque Eurasienne à l'Est: c'est le système de failles de décrochement sénestre de Sulawesi Centrale (CCA). Ce système de failles comprend deux zones de failles : la zone de failles orientées N.N.O. de Palu-Koro (PKF) et celle de Matano (MF) où les failles sont orientées O.N.O.. Ce système cassant relie, du Nord-Ouest au Sud-Est, la zone subduction de Sulawesi Nord (NSS) au domaine géotectonique de la mer de Banda. Plusieurs études ont suggéré une tectonique majeure active le long de la CCA, notamment le long de PKF (Tjia, 1969; katili, 1970). Cependant, la sismicité de Sulawesi, telle qu'elle est enregistrée par les réseaux sismiques mondiaux (fig. 3), le réseau indonésien et la sismicité historique indiquent que la partie centrale de Sulawesi montre un niveau relativement faible d'activité sismique de faible profondeur (Beaudouin, 1998). A l’opposé de cette faible sismicité, les taux de glissement à long terme de PKF, aussi élevés que 40 ± 50 mm/an au cours des 5 derniers millions d'années, ont été estimé, sur la base des modèles de reconstruction géodynamique; en l'occurrence le taux de convergence de la plaque le long de la NSS (Silver et al., 1983; Walpersdorf et al., 1998a) ou d'études de paléomagnétisme (Surmont et al., 1994).

Fig. 4a. Schéma illustrant la double subduction de la plaque de La Mer des Moluques sous les plaques (dalles) de Sangihe et d'Halmahera

Fig. 4b. Vue en 3 dimensions de la double subduction

Une des caractéristiques les plus intéressantes de la tectonique du l’Indonésie du Nord-Est est la zone de suture Néogène entre l'arc volcanique de Halmahera et l'arc volcanique de Minahasa-Sangihe qui exhibe une double subduction, une portion de plaque (dalle) s’enfonçant vers l'Est sous Halmahera jusqu'à une profondeur d'environ 250 km et l'autre portion plongeant vers l'Ouest sous l’arc Minahasa-Sangihe jusqu’à une profondeur d'environ 650 km (Hamilton, 1989). Les volcans actifs de ces deux arcs se trouvent à environ 100 km à l'aplomb des deux couloirs sismiques respectifs (fig. 3). Plus au nord, et légèrement à l’Est s'étend le fossé de subduction des Philippines qui se poursuit vers le Nord, légèrement à l'Ouest de l'arc Minahasa orienté Nord-Nord-Ouest, par le fossé de subduction de Cotabato.

Fig; 5a. Cadre géologique et tectonique globaux de l'Indonésie Orientale

Fig. 5b. Coupe transversale dans la zone de double subduction en Mer des Moluques montrant la collision des arcs volcaniques Halmahera et Sangihe. La figure illustre que l'arc Halmahera à l'Est a été entièrement chevauché par l'arc Sangihe à l'Ouest (voir aussi fig. 4b) dans partie Nord de la Mer des Moluques et que les complexes ophiolitiques ont été exposés sur les îles Talaud au niveau du bassin d'avant-arc de Sangihe (Hall, 2000).

Ce contexte de double subduction complexe produit un schéma de distribution des tremblements de terre qui est représenté en fig. 3. Sous Halmahera se trouve aussi la zone de la grande faille décrochante sénestre de Sorong (fig. 2 et 6b). Il n'est pas étonnant que cette région soit tectoniquement très active.

La Mer des Moluques est une plaque qui est en subduction dans deux directions sous la plaque Eurasienne à l'Ouest et la plaque de la Mer des Philippines à l'Est. Le résultat de cette double subduction a été la création de l'arc volcanique Sangihe à l'Ouest et de l'arc volcanique Halmahara à l'Est (fig. 4a et 4b). Les coupes transversales dans la zone de convergence actuelle peuvent être utilisées pour interpréter la série d'événements qui ont mené à la collision des arcs océaniques. La subduction à l'Ouest est censée avoir débuté avant celle à l'Est et la plaque a atteint des profondeurs plus élevées à l'Ouest. La subduction vers l’Ouest plus avancée a conduit à la situation actuelle de convergence où l'arc Sangihe surmonte celui d’Halmahera (fig. 5a et 5b). La collision des deux arcs a commencé à former un complexe de collision (coin d'accrétion) de sédiments et d’ophiolites (Hinschburberger et al, 2005). En moins de 5 millions d'années, l'arc Sangihe aura complètement chevauché celui d’Halmahera et, à cette époque, il y aura peu de traces de l’existence passée de deux arcs insulaires et de l’existence d’une double subduction dans la Mer des Moluques (Hall, 2000).

Fig. 5c. La zone de convergence entre les plaques Eurasienne, Philippine et Australienne est caractérisée par le mouvement de rotation (4° par M.a) du bloc de Sula. Les limites de blocs actifs sont le fossé de subduction de Sulawesi Nord (1), la faille de Palu-Koro (2) et de Matano (3).

Fig. 5c. Les vecteurs rouges montrent les déplacements des points situés sur le bloc de "Sula" : rotation horaire à environ 4° par million d'années. Les vecteurs bleus montrent les déplacement du bloc de "Makassar" : rotation anti-horaire à environ 1° par million d'années. Les zooms montrent les vitesses autour des failles de Palu (~ 4 cm/an de décrochement senestre) et de Gorontalo (peu active).

En Mer des Moluques, an nord de l’équateur, la subduction dite de Sangihe absorbe une partie significative des 10 cm/an de convergence Philippines/Sonde. Les calculs indiquent une vitesse de 75 mm/an, compatible avec les taux élevés de 80 mm/an calculés par GPS. Au sud de l’équateur (région Sud-Moluques), cette vitesse s’amortit très rapidement jusqu’à des taux de 2 mm/an. Les taux et les directions de convergence obtenus sur la subduction Nord Sulawesi sont compatibles avec les modèles de rotation horaire du bloc de Sula proposés sur des arguments géodynamiques, paléomagnétiques et géodésiques. Les failles de Palu-Koro, à l’ouest, Matano, au S et Sud Sula (i.e., prolongement occidental de la faille de Sorong) au S.E., délimitent ce bloc.

La formation de l'île de Sulawesi est due au déplacement vers le nord de la plaque australienne et par le mouvement anti-horaire de la Nouvelle-Guinée qui a eu lieu il y a  environ 5 millions d'années (Katili, 1990). L’île de Sulawesi comprend le bras Nord formé de sédiments tertiaires et de roches volcaniques d’arc insulaire, le bras Est d'âge Crétacé et Néogène formé de matériaux de coin d’accrétion (Hamilton 1990), et les bras Sud et Ouest composés de roches crétacées de coin d’accrétion. Les bras Sud et Sud-Est sont tectoniquement dominés par des matériaux de complexes de subduction.
Le bras Nord peut être divisé en trois compartiments: le compartiment aligné N.E.-S.O. (compartiment Minahasa), le segment central aligné E-O (le compartiment Gorontalo) et le compartiment aligné N-S, dénommé le Cou. Le compartiment Minahasa fait partie de la chaîne ("ridge") Sangihe qui a créé l'arc volcanique interne. L’arc extérieur non volcanique est formé par les îles Talaud et Maju (Bemmelen, ...).
Le volcanisme quaternaire est absent dans les compartiments Gorontalo et du Cou. Ces compartiments sont pour la plupart dominés par des roches plus anciennes (granites, schistes métamorphiques) et caractérisés par l'extinction de l'activité volcanique. On peut en déduire que les environnements géologiques des compartiments de Gorontalo et du Cou sont plus stables que ceux des compartiments Minahasa.

Cadre géotectonique et volcanisme du compartiment Minahasa

Le compartiment Minahasa se caractérise par des volcans actifs qui forment l'arc volcanique interne Minahasa, composé des volcans Gunung Soputan, Gunung Lokon-Empung, Gunung Mahawu, Gunung Klabat et Gunung Dua Saudara qui sont alignés S.O.- N.E..

Fig. 6b. Contexte géodynamique de la zone de suture des Moluques et des arcs insulaires de Sangihe et de Halmahera.

Les réseaux de failles dans le bras Nord de Sulawesi ont été créés à la suite du mouvement de la plaque de la Mer des Célèbes en provenance du Nord et de la micro-plaque de Tomini en provenance du Sud. L'effet des deux contraintes du Nord et du Sud a abouti à ce que le bras Nord de la plaque de Sulawesi, qui s’est déplacé vers l'Est, soit entré en collision avec la plaque océanique des Moluques qui se déplace vers l'ouest (île Halmahera en forme de K).
Structurellement, la zone comprend quelques réseaux de failles qui sont des failles de cisaillement majeures orientées N.E.-S.O. et N.O.-S.E. ainsi que des failles normales alignées N-S (figure 7).

Fig. 7. Esquisse géologique et cadre tectonique du compartiment Minahasa

La zone la plus intensivement faillée est située dans la partie ouest de la caldera Pangalombian (à proximité du lac Linau). Le mouvement actif de décrochement cisaillant a généré une faille régionale orientée N.E.-S.O. située sur la crête de l’arc volcanique interne Minahasa aligné du Gunung Soputan, au Sud-Ouest, jusqu’au Gunung Klabat sur la bordure Nord-Est. Cette faille contrôle l'édification des calderas Tondano et Pangalombian. La bordure Est de la caldera Tondano peut être délimitée alors que les bordures Ouest et Sud ont été recouvertes par les laves produites par les volcans Gunung Lengkoan, Gunung Sempu et Soputan. Une autre caldera s’est formée après le développement de la caldera Tondano, la caldera Pangalombian ellipsoïdale, longue de 5 kilomètres et large de 3,5 kilomètres où est situé le champ géothermique Lahendong. La bordure septentrionale de la caldera Pangalombian peut être clairement définie par la topographie alors que la bordure Sud a été recouverte par les laves du Gunung Lengkoan. Les autres structures circulaires situées à l'intérieur de la caldera Pangalombian sont les cratères d’éruption hydrothermale de Linau et de Tampusu. Les puits foncés dans la zone du lac Linau, profonds de 250 mètres, ont montré que le fluide est acide (pH = 2) et la température est d'environ 250°c.

Les autres lacs de cratère situés en dehors de la caldera Pangalombian appartiennent à des volcans actifs. Ce sont les cratères du Gunung Lokon - Empung, Mahawu, Sempu, Riendengan et Soputan

VOLCANISME

Les résultats des analyses chimiques des produits volcaniques des unités Pré-Tondano et Post-Tondano, disposés dans le diagramme K₂O/SiO_2, montrent qu'il existe deux types d'évolution magmatique (Fig. 8). Les produits pré-Tondano et post-Tondano sont caractérisés par une évolution magmatique de la série tholéiitique jusqu'à la série calco-alcaline. La courte distance entre les centres éruptifs et les datations relatives aux âges radiométriques illustrent l’étroite relation entre les deux affinités magmatiques. La variation pétrochimique des produits volcaniques dans la région est affectée par la différenciation de deux types de magma via le mélange de magmas ou de l'assimilation et de la cristallisation fractionnée.

Fig. 8. Diagramme de discrimination des séries magmatiques de l'arc volcanique Minahasa.

Les séries magmatiques tholéiitique et calco-alcaline sont typiques des environnements tectoniques orogéniques qui ont été beaucoup plus influencées par la zone de subduction de la croûte océanique de Sulawesi au Nord et de la croûte océanique des îles Moluques à l'Est.

La stratigraphie volcanique des compartiments Minahasa peut être divisée en 3 unités pétrographiques, qui sont les unités pré-Tondano, Syn-Tondano et post-Tondano.

Le bras septentrional de Sulawesi se compose des compartiments Minahasa, Gorontalo et du Cou. Le compartiment Minahasa se distingue par un arc volcanique actif et les deux autres par des roches granitiques et métamorphiques.
L'évolution magmatique du compartiment Minahasa s’est faite de la série tholéiitique jusqu’à la série calco-alcaline, typique d’un environnement tectonique orogénique. La roche du socle est composée de sédiments carbonatés interstratifiés avec des matériaux volcaniques qui se sont déposés du Miocène moyen jusqu’au Pliocène. Au Plio-Pléistocene, la région était faillée et la mer a régressé à la suite du développement de la caldera Tondano. Au Pliocène, la caldera Pangalombian s’est formée et a été contrôlée par une faille de décrochement cisaillante orientée N.E.-S.O.. Les champs géothermiques Lahendong et Tompaso ont été séparés par des failles de décrochement cisaillantes orientées N.E.-S.O.. Du point de vue volcanologique, le champ géothermique Lahendong  est situé dans le caldera Pangalombian et le champ de Tompaso est localisé dans la partie sud de la caldera Tondano.

Rotation de 360° autour de Sulawesi-Halmahera (les points sont les foyers des séismes de 1973 à aujourd'hui répertoriés par l'USGS/NEIC).La cartographie des foyers sismiques illustre l'emplacement des plaques en voie de subduction. La rotation autour de Sulawesi-Halmahera s'effectue selon un pas de 25°sous un angle de vision de 5° au-dessus de l'horizon. Animation, ©.Alino