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LE PAGE, Thèse, Univ. Aix-Marseille-III, Thèse, 1983, 518 p., déposée à la société géologique de France. A. LE PAGE, J. Afr. Earth Sci., 7, 1, 1988, p. 265-283. R. D. DALLMEYER et J. P. LECORCHE, Am. J. Sci., 290, 1990, p. 1136-1168. R. C., A. L., F. H., A. L. P. et M. V. : Université de Nice-Sophia Antipolis, Institut de Géodynamique, parc Valrose 06034 Nice, France; J.-P. L. : Université Aix-Marseille-III, Fac. Saint-Jérôme, Laboratoire de Géophysique et de Géodynamique, Case n° 422, 13397 Marseille Cedex 13, France. Géodynamique/Geodynamics Déformations du bassin d'avant-arc au Nord-Ouest de Sumatra : une réponse à la subduction oblique Jacques-André MALOD, Badrul MUSTAFA KEMAL, Marie-Odile BESLIER, Christine DEPLUS, Michel DIAMENT, Komar KARTA, Alain MAUFFRET, Philippe PATRIAT, Manuel PUBELLIER, Hervé REGNAULT, Posma ARITONANG et M. T. ZEN Jr Résumé La subduction oblique est considérée comme la cause d'effets tectoniques remarquables sur la marge active correspondante. Il s'agit de grands décrochements parallèles à la marge, de déplacements de blocs et de déformations du bassin d'avant-arc. Sumatra est un exemple caractéristique de cette situation où une composante en cisaillement horizontal, induite par une convergence oblique, s'exprime par deux failles majeures de coulissage : la grande faille de Sumatra et la faille de Mentawai. De nouvelles données montrent que la faille de Mentawai continue vers le Nord et que le bassin d'avant-arc est segmenté par des accidents décrochant ou compressif. Ceci confirme que la lanière crustale du bassin d'avant-arc n'est pas rigide. Deformation of the fore-arc basin northwest of Sumatra: a response to oblique subduction Abstract Oblique subduction is considered as the cause of significant effects on related active margins: strike-slip faulting parallel to the margin, translation of microblocks and deformation of the fore-arc basin. Sumatra is a clear example of a shear component induced by oblique convergence and expressed by two major strike-slip fault zones: the Sumatra and Mentawai faults. New data collected show that the Mentawai fault zone continues northwards, but also that the fore-arc basin is segmented by strike-slip or compressional features. This confirms that the fore-arc sliver plate along Sumatra is not rigid. Abridged English
et la faille de Mentawai. De nouvelles données montrent que la faille de Mentawai continue vers le Nord et que le bassin d'avant-arc est segmenté par des accidents décrochant ou compressif. Ceci confirme que la lanière crustale du bassin d'avant-arc n'est pas rigide. Deformation of the fore-arc basin northwest of Sumatra: a response to oblique subduction Abstract Oblique subduction is considered as the cause of significant effects on related active margins: strike-slip faulting parallel to the margin, translation of microblocks and deformation of the fore-arc basin. Sumatra is a clear example of a shear component induced by oblique convergence and expressed by two major strike-slip fault zones: the Sumatra and Mentawai faults. New data collected show that the Mentawai fault zone continues northwards, but also that the fore-arc basin is segmented by strike-slip or compressional features. This confirms that the fore-arc sliver plate along Sumatra is not rigid. Abridged English Version INTRODUCTION. The Sunda subduction results from the convergent motion (about 6 cm/yr) of the Indo-Australian and the Eurasian plates (fig, 1, A) (Karig et al., 1978). The present local relative motion is better determined from the study of slip vectors which indicates a nearly NS relative motion (McCaffrey, 1988). As a result, the subduction is frontal along Java and oblique along the Sumatra trench. The obliquity of the subduction is accommodated by a shear component taken up along two large strike-slip faults: the Sumatra and the Mentawai faults (Diament et al., 1992) (fig. 1, A). Based on the study of slip vectors of the subduction (McCaffrey, 1988) or on an estimate of the present motion along the Sumatra fault (Diament et al., 1990; Huchon and Le Pichon, 1984; Katili and Hehuwat, 1967; Lassal et al., 1989) the fore-arc basin is expected not to be rigid. However, large internal deformations in the southern part of the fore-arc basin have not been observed (Diament et al., 1992). A marine geophysical cruise was carried out in 1991 on board the R.V. Baruna-Jaya-III as part of the French-Indonesian cooperation programme in oceanography. In this paper, we deal with the results of the single
As a result, the subduction is frontal along Java and oblique along the Sumatra trench. The obliquity of the subduction is accommodated by a shear component taken up along two large strike-slip faults: the Sumatra and the Mentawai faults (Diament et al., 1992) (fig. 1, A). Based on the study of slip vectors of the subduction (McCaffrey, 1988) or on an estimate of the present motion along the Sumatra fault (Diament et al., 1990; Huchon and Le Pichon, 1984; Katili and Hehuwat, 1967; Lassal et al., 1989) the fore-arc basin is expected not to be rigid. However, large internal deformations in the southern part of the fore-arc basin have not been observed (Diament et al., 1992). A marine geophysical cruise was carried out in 1991 on board the R.V. Baruna-Jaya-III as part of the French-Indonesian cooperation programme in oceanography. In this paper, we deal with the results of the single channel seismic reflection survey of the northern part of the Sumatra fore-arc. SUBSIDENCE IN THE FORE-ARC. Erosional surfaces are evidenced on the shelf or in deeper parts of the basin. Correlations between seismic profiles and stratigraphic data available on the shelf allow an age to be given to the submersion of these surfaces (fig. I, B) (Beaudry and Moore 1985). To the north and near the coast, the surface, buried by Early Pliocene layers is close to sea level. Seaward, it reaches about 3,000 m depth forming the bottom of the present fore-arc basin on profile 32, 33 (fig. 2, A, C). East of Simeulue and Nias, erosional surfaces are of Miocene age. Tilted towards the SW, these erosional surfaces indicate that a large amount of subsidence has occurred in the basin. This may be explained by the overload of the accretionary prism or by fore-arc extension in an EW direction, or by deep crustal erosion linked to subduction. THE CONTINUATION OF THE MENTAWAI FAULT. — The Mentawai fault continues north of the equator (fig. 1, B). We can follow it offshore east of Simeulue and northwards (fig. 2, B), where it seems to extend through the accretionary prism. However,
of these surfaces (fig. I, B) (Beaudry and Moore 1985). To the north and near the coast, the surface, buried by Early Pliocene layers is close to sea level. Seaward, it reaches about 3,000 m depth forming the bottom of the present fore-arc basin on profile 32, 33 (fig. 2, A, C). East of Simeulue and Nias, erosional surfaces are of Miocene age. Tilted towards the SW, these erosional surfaces indicate that a large amount of subsidence has occurred in the basin. This may be explained by the overload of the accretionary prism or by fore-arc extension in an EW direction, or by deep crustal erosion linked to subduction. THE CONTINUATION OF THE MENTAWAI FAULT. — The Mentawai fault continues north of the equator (fig. 1, B). We can follow it offshore east of Simeulue and northwards (fig. 2, B), where it seems to extend through the accretionary prism. However, our investigation at sea is not continuous. South and north of Nias Island, submarine features that we relate to the Mentawai fault system may continue and form the tectonic lineament bounding the eastern part of the island. The shape of the Mentawai fault appears parallel to the Sumatra fault (fig1, B). STRUCTURES TRANSVERSE TO THE BASIN. — Tectonic structures to the fore-arc may represent the trace of internal deformations. North of Nias such structures are clearly observed, in contrast with the southern domain which is made of a single sliver platelet (Diament et al., 1992). Consequently, the fore-arc basin north of the equator is segmented into three large sub-basins: Nias, Simeulue and Aceh basins (fig. 1, B). The transverse lineaments include strike-slip faults, such as the Batee fault (Karig et al., 1980) or the large fault which bounds the Aceh basin to the west (fig. 2, C). Compressional zones oblique to the Mentawai fault are located between the Aceh and the Simeulue basins (Tuba ridge, fig. 1, B) and probably along the southern border of the Simeulue basin (Banyak islands) and Nias basin (Pini Ridge). INTERPRETATION. — The location of the Sumatra and Mentawai faults are different and their roles
B). STRUCTURES TRANSVERSE TO THE BASIN. — Tectonic structures to the fore-arc may represent the trace of internal deformations. North of Nias such structures are clearly observed, in contrast with the southern domain which is made of a single sliver platelet (Diament et al., 1992). Consequently, the fore-arc basin north of the equator is segmented into three large sub-basins: Nias, Simeulue and Aceh basins (fig. 1, B). The transverse lineaments include strike-slip faults, such as the Batee fault (Karig et al., 1980) or the large fault which bounds the Aceh basin to the west (fig. 2, C). Compressional zones oblique to the Mentawai fault are located between the Aceh and the Simeulue basins (Tuba ridge, fig. 1, B) and probably along the southern border of the Simeulue basin (Banyak islands) and Nias basin (Pini Ridge). INTERPRETATION. — The location of the Sumatra and Mentawai faults are different and their roles are probably different. Mentawai fault is located nearby the boundary between the fore-arc domain and the accretionary prism. It indicates a relative motion of the sediments accreted in the prism with respect to the fore-arc. This may be explained by the fact that the accretionary prism is lying upon the subducting oceanic crust and therefore is submitted to normal convergence, inducing compressional deformation, and to lateral transport inducing strike-slip. This motion depends upon the coupling between the accretionary prism and the oceanic slab. On the other hand, Sumatra fault is located within the Sumatra plate along the volcanic line and separates the stable southeast Asian plate from the deformed fore-arc domain. Therefore, we interpret the Sumatra fault as a fault allowing a progressive, complete accommodation of the deformations induced by the oblique subduction. The volcanic line may act as a weak zone where strike-slip motion is favored. The Sumatra and Mentawai faults have thus very different meanings. Although some back-arc thrusting may occur, the trace of the Mentawai fault follows approximately the boundary between the two plates. CONCLUSION. — Our study confirms that the fore-arc sliver plate off Sumatra is not rigid. If a complete partitioning of the subduction motion
subducting oceanic crust and therefore is submitted to normal convergence, inducing compressional deformation, and to lateral transport inducing strike-slip. This motion depends upon the coupling between the accretionary prism and the oceanic slab. On the other hand, Sumatra fault is located within the Sumatra plate along the volcanic line and separates the stable southeast Asian plate from the deformed fore-arc domain. Therefore, we interpret the Sumatra fault as a fault allowing a progressive, complete accommodation of the deformations induced by the oblique subduction. The volcanic line may act as a weak zone where strike-slip motion is favored. The Sumatra and Mentawai faults have thus very different meanings. Although some back-arc thrusting may occur, the trace of the Mentawai fault follows approximately the boundary between the two plates. CONCLUSION. — Our study confirms that the fore-arc sliver plate off Sumatra is not rigid. If a complete partitioning of the subduction motion is achieved, the lateral displacement of the accretionary prism, calculated for the time of opening of the Andaman Sea (the last 10 Ma) at a rate of 60 mm/yr is about 520 km. This motion is shared between the Mentawai and Sumatra faults. On land, the recent motion is lower to the south (6 mm/yr) (Bellier et al., 1991) than to the north (15 mm/yr) for the region of lake Toba (Detourbet, personal communication). As a result, either the greatest part of the motion occurred along the Mentawai fault, or the motion slowed down recently along the Sumatra fault. In both cases, the prism motion corresponds to the whole motion, supporting the idea of large displacements. Alternatively, partitioning of the oblique convergent motion may have been only partial and the displacements of lower amplitude. INTRODUCTION. 1. La subduction oblique devant Sumatra. La subduction de l'arc de la Sonde résulte du mouvement convergent (6 cm/an) des plaques indo-australienne et eurasienne (fig. 1, A) (Karig et al., 1978). Le mouvement relatif de ces deux plaques Fig. 1. A: Cadre géodynamique de la subduction de Sumatra montrant les failles de Sumatra et de Mentawai. La zone d'étude est encadrée et les profils de
to the south (6 mm/yr) (Bellier et al., 1991) than to the north (15 mm/yr) for the region of lake Toba (Detourbet, personal communication). As a result, either the greatest part of the motion occurred along the Mentawai fault, or the motion slowed down recently along the Sumatra fault. In both cases, the prism motion corresponds to the whole motion, supporting the idea of large displacements. Alternatively, partitioning of the oblique convergent motion may have been only partial and the displacements of lower amplitude. INTRODUCTION. 1. La subduction oblique devant Sumatra. La subduction de l'arc de la Sonde résulte du mouvement convergent (6 cm/an) des plaques indo-australienne et eurasienne (fig. 1, A) (Karig et al., 1978). Le mouvement relatif de ces deux plaques Fig. 1. A: Cadre géodynamique de la subduction de Sumatra montrant les failles de Sumatra et de Mentawai. La zone d'étude est encadrée et les profils de la figure 2 sont localisés. B: Schéma structural du bassin d'avant-arc au nord de Sumatra, montrant la segmentation en 3 bassins. Fig. 1. A: Geodynamic sketch of the Sumatra subduction showing the Sumatra and Mentawai faults. The study area is framed and the location of seismic profiles of figure 2 is given. B: Structural sketch of the northern fore-arc off Sumatra, showing the segmentation of the basin. à cet endroit de leur frontière n'est pas connu avec précision en raison des déformations internes de la plaque Eurasie sur sa bordure SE asiatique. En fait, le mouvement relatif actuel est donné par l'étude des vecteurs de glissement déduits des séismes, qui indiquent un mouvement pratiquement N-S (McCaffrey, 1988). En conséquence, la subduction est frontale devant Java et oblique devant Sumatra. 2. Les effets de la subduction oblique. — L'obliquité de la subduction entraîne la décomposition du mouvement entre une composante normale de la convergence et une composante cisaillante parallèle à la marge (Beck Jr, 1983; Fitch, 1972). Le mouvement cisaillant s'exprime par le grand décrochement de Sumatra (fig. 1, A) qui a accompagné depuis 11 Ma l'ouverture de 450 km de la mer d'Andaman au Nord de Sumatra (Curray et al.,
is given. B: Structural sketch of the northern fore-arc off Sumatra, showing the segmentation of the basin. à cet endroit de leur frontière n'est pas connu avec précision en raison des déformations internes de la plaque Eurasie sur sa bordure SE asiatique. En fait, le mouvement relatif actuel est donné par l'étude des vecteurs de glissement déduits des séismes, qui indiquent un mouvement pratiquement N-S (McCaffrey, 1988). En conséquence, la subduction est frontale devant Java et oblique devant Sumatra. 2. Les effets de la subduction oblique. — L'obliquité de la subduction entraîne la décomposition du mouvement entre une composante normale de la convergence et une composante cisaillante parallèle à la marge (Beck Jr, 1983; Fitch, 1972). Le mouvement cisaillant s'exprime par le grand décrochement de Sumatra (fig. 1, A) qui a accompagné depuis 11 Ma l'ouverture de 450 km de la mer d'Andaman au Nord de Sumatra (Curray et al., 1979) et une extension de 50 km dans le détroit de la Sonde (Huchon et Le Pichon, 1984; Lassal et al., 1989). La différence provient du jeu d'une deuxième faille, la faille de Mentawai (Diament et al., 1992), ainsi que de probables déformations du bassin d'avant-arc (McCaffrey, 1988) comme cela est suggéré par les modèles analogiques (Pinet et Cobbold, 1992). Cependant, aucune déformation importante n'a été observée dans la partie sud du bassin (Diament et al., 1992). 3. Les nouvelles données. — En 1991, la campagne franco-indonésienne de géophysique marine SUMENTA 1 à bord du N.O. indonésien Baruna-Jaya-III a permis de recueillir de nouvelles données de sismique réflexion monoculaire sur la marge de Sumatra et l'océan adjacent. Dans cet article, nous décrivons les résultats de l'étude de la partie NW de la marge de Sumatra. STRATIGRAPHIE ET STRUCTURES. — 1. Discordances et subsidence. — Les corrélations effectuées entre les profils sismiques et des forages industriels indiquent que de larges zones, situées aussi bien sur la plate-forme que dans le bassin d'avant-arc, étaient émergées au début du Miocène, et permettent de suivre leur enfouissement (fig. 1, B). Au Sud, la surface d'érosion de la plate-forme continentale forme le sommet d'îles fossiles
est suggéré par les modèles analogiques (Pinet et Cobbold, 1992). Cependant, aucune déformation importante n'a été observée dans la partie sud du bassin (Diament et al., 1992). 3. Les nouvelles données. — En 1991, la campagne franco-indonésienne de géophysique marine SUMENTA 1 à bord du N.O. indonésien Baruna-Jaya-III a permis de recueillir de nouvelles données de sismique réflexion monoculaire sur la marge de Sumatra et l'océan adjacent. Dans cet article, nous décrivons les résultats de l'étude de la partie NW de la marge de Sumatra. STRATIGRAPHIE ET STRUCTURES. — 1. Discordances et subsidence. — Les corrélations effectuées entre les profils sismiques et des forages industriels indiquent que de larges zones, situées aussi bien sur la plate-forme que dans le bassin d'avant-arc, étaient émergées au début du Miocène, et permettent de suivre leur enfouissement (fig. 1, B). Au Sud, la surface d'érosion de la plate-forme continentale forme le sommet d'îles fossiles au Nord et à l'Est de Simeulue. Son enfouissement date généralement du Miocène inférieur, mais est localement plus tardif. Au Nord de la zone étudiée, l'émersion s'est poursuivie jusqu'à la fin du Miocène (fig. 2, A). Cette surface d'érosion basculée vers le SW arrive à l'affleurement et émerge probablement le long de la côte, alors qu'elle forme le fond du bassin d'avant-arc à l'Ouest à près de 3 000 m de profondeur (fig. 2, A et C). 2. Continuation de la faille de Mentawai. — La faille de Mentawai définie au Sud (Diament et al., 1992), continue au Nord de l'équateur. Une grande zone de décrochement, bordée de plis amples suit l'île de Simeulue et se continue vers le Nord en bordure du prisme d'accrétion (fig. 2, B) en direction de Nicobar (fig. 1, B). Dans le prisme d'accrétion lui-même, des couloirs étroits de déformations indiquent l'existence possible de décrochements parallèles à la faille de Mentawai. Plus discutable, parce que notre contrôle en mer n'est pas continu, est notre interprétation selon laquelle la bordure tectonisée et soulevée de l'Est de Nias se poursuit au Nord et au Sud de l'île et constitue une partie du système de la faille de
long de la côte, alors qu'elle forme le fond du bassin d'avant-arc à l'Ouest à près de 3 000 m de profondeur (fig. 2, A et C). 2. Continuation de la faille de Mentawai. — La faille de Mentawai définie au Sud (Diament et al., 1992), continue au Nord de l'équateur. Une grande zone de décrochement, bordée de plis amples suit l'île de Simeulue et se continue vers le Nord en bordure du prisme d'accrétion (fig. 2, B) en direction de Nicobar (fig. 1, B). Dans le prisme d'accrétion lui-même, des couloirs étroits de déformations indiquent l'existence possible de décrochements parallèles à la faille de Mentawai. Plus discutable, parce que notre contrôle en mer n'est pas continu, est notre interprétation selon laquelle la bordure tectonisée et soulevée de l'Est de Nias se poursuit au Nord et au Sud de l'île et constitue une partie du système de la faille de Mentawai. Le tracé de la faille de Mentawai ainsi prolongé vers le Nord apparaît très parallèle à celui de la faille de Sumatra (fig. 1, B). 3. Les structures transverses. Des structures transverses WNW-ESE et NNE-SSW représentent la trace de déformations internes du bassin au Nord de Sumatra. Les structures observées sont (a) des décrochements probables : L'existence d'une faille NS au NE de Nias confirme l'existence d'une structure, la faille de Batee (Karig et al., 1980), dont on ne connaît cependant pas le jeu. À l'Ouest du bassin d'Aceh, une autre grande Fig. 2. — A Profil sismique SUMENTA 33, montrant une surface d'érosion enfouie au Miocène terminal. Cette surface, formée au niveau de la mer, a subsidé jusqu'à maintenant plus de 3 000 m par suite d'un basculement et du jeu de failles normales à l'Est. Localisation sur la figure 1. B : Profil sismique SUMENTA 31; une zone faillée est interprétée comme une zone de décrochement (structure en fleur) sur la bordure ouest du bassin d'avant-arc. Localisation sur la figure 1. C Profil sismique SUMENTA 32 : une faille inverse borde le bassin d'avant-arc. Cette faille est normale plus au Sud, ce qui suggère un jeu décrochant.
observées sont (a) des décrochements probables : L'existence d'une faille NS au NE de Nias confirme l'existence d'une structure, la faille de Batee (Karig et al., 1980), dont on ne connaît cependant pas le jeu. À l'Ouest du bassin d'Aceh, une autre grande Fig. 2. — A Profil sismique SUMENTA 33, montrant une surface d'érosion enfouie au Miocène terminal. Cette surface, formée au niveau de la mer, a subsidé jusqu'à maintenant plus de 3 000 m par suite d'un basculement et du jeu de failles normales à l'Est. Localisation sur la figure 1. B : Profil sismique SUMENTA 31; une zone faillée est interprétée comme une zone de décrochement (structure en fleur) sur la bordure ouest du bassin d'avant-arc. Localisation sur la figure 1. C Profil sismique SUMENTA 32 : une faille inverse borde le bassin d'avant-arc. Cette faille est normale plus au Sud, ce qui suggère un jeu décrochant. Localisation sur la figure 1. Fig. 2. — A: Seismic profile SUMENTA 33 showing an erosional surface buried under upper Miocene sediments. This surface, formed at sea level, is now at more than 3,000 m depth as a result of tilting and normal faults as seen to the east. Location on figure 1. B: Seismic profile SUMENTA 31; a faulted zone is interpreted as a strike-slip zone (flower structure) along the western border of the fore-arc basin. Location on figure 1. C: Seismic profile SUMENTA 32: a reverse fault bounding the present fore-arc basin. This fault appears to be normal to the south indicating a probable strike-slip play. Location on figure 1. faille, parallèle à celle de Batee, montre suivant son orientation un jeu tantôt normal tantôt inverse, indiquant un décrochement. La géométrie des segments normaux et inverses suggère un jeu senestre (fig. 2, C). Ceci suggère que ces failles ne sont pas nécessairement conjuguées des failles de Mentawai et de Sumatra. (b) des accidents compressifs WNW-ESE : Ainsi la ride de Tuba sépare les bassins d'Aceh et de Simeulue et décale fortement le socle (fig. 1, B). Enfin le bassin de Simeulue et le bassin de Nias sont fermés