Première cartographie de failles soumarines affectant le manteau

la zone de rupture des grand séismes de 2012 du basin de Wharton

Jeudi, 15 octobre 2015

En 2006, grâce au soutien de l'entreprise Schlumberger,  des chercheurs de l'Institut de physique du globe de Paris (CNRS, Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité) on pu réaliser de grand profils de sismique réflexion dans le Bassin de Warton, au large de l'Indonésie où se sont produit en 2012 de grands séismes intraplaques (Mw>8.2). Les images sismiques obtenues leurs ont permit d'identifier 45 kilomètres de failles atteignant le manteau lithosphère. C'est la première fois que de telles failles profondes sont observées sous la croûte océanique. Cette étude a été publiée dans la revue Nature Communication*.


1- Zone d'étude. Les lignes rouges indiquent l'emplacement des profils sismiques WG3 et WG2, les traits pleins correspondent à la partie des profils étudiée. Les pointillés jaunes indiquent les zones de fracture. Les cercles verts et blancs indiquent les épicentres des séismes et leurs caractéristiques (mécanismes au foyer et magnitude). La déformation intra-plaque un sujet d'actualité en géophysique

La déformation intraplaque et la sismicité qui y est associée sont des phénomènes encore mal compris en sciences de la Terre. De ce point de vue, le Bassin de Wharton, situé entre l’Indosésie et l’Australie, est l’une des zones les plus actives au monde. Deux séismes majeurs (Mw>8.2) s’y sont produits en 2012 (fig 1). Ces séismes semblent avoir rompu la lithosphère océanique dans toute son épaisseur, sans que l’on sache pour autant comment la déformation est distribuée en profondeur. L’imagerie par sismique réflexion est généralement utilisée pour cartographier les structures géologiques profondes. Toute fois, son utilisation est très difficile dans un tel environnement marin par grands fonds. Pour y parvenir il faut utiliser un dispositive spécial avec une source sismique à basse fréquence et une longue ligne de récepteurs (flute).

Ligne des canons à air. © S. SIngh En 2006, dans le but d’étudier le grand séisme de Sumatra-Andaman de 2004, l’entreprise de géophysique Schlumberger a mis à la disposition des chercheurs de l’Institut de physique du globe de Paris, son meilleur navire de prospection disposant de plus de 10 000 cubic inch de sources et d’une ligne de capteurs longue de 12 km. L’un des profils sismiques (WG3) levé lors de la campagne 2006 passe à 100 km au nord de l’épicentre du séisme intraplaque de 2012, et à 300 km au nord-ouest de l’épicentre du séisme de 2004.

Après avoir mis au point une nouvelle méthode d’analyse des données, les chercheurs de l’IPGP ont pu produire une image sismique exceptionnelle de l’ensemble de la lithosphère océanique de cette région du globe. L’image sismique révèle l’existence d’un grand nombre de réflecteurs , caractéristiques de failles, dans le manteaux ; le plus profond atteignant 45 km (fig 2). C’est la première fois que de telles failles sont cartographies sous la lithosphère océanique.

 

2- Image de sismique réflexion de la faille la plus profonde. Les flèches marquent la position de la faille. Les rectangles violets indiquent l'emplacement des zoom des images sismiques avec l'emplacement de marqueurs principaux . En permettant la circulation de fluide, les failles contribuent à modifier les proriétés du manteau lithosphérique

Ce grand nombre de faille dénombré dans la partie supérieure du manteaux (le manteau lithosphérique) décroit linéairement jusque vers 25-30 km de profondeur, et reste ensuite constant jusqu’à 45 km (fig3). Les auteurs estiment que la réflexivité ambiante du milieu, qui diminue également jusque vers 25 km de profondeur et reste ensuite constante, est une propriété locale du manteaux lithosphérique liée aux failles. En effet, la pénétration de l'eau le long de la zone de faille doit altérer la péridotite du manteau (serpentinisation) et produire une zone faiblement réfléchissante par rapport à la lithosphère environnante, non affectée par  les failles. La diminution linéaire du degré de serpentinisation, suggérée par la variation du coefficient de réflexion, observée entre le Moho1 et 25 km de profondeur, pourrait être due à la fermeture des fissures et la réduction de la perméabilité avec la profondeur, qui inhibe la circulation du fluide et donc la serpentinisation.

Ce grand nombre de failles observé juste en-dessous du Moho, s’étendant jusqu’à une profondeur d’environ 25 km, suggère que le manteau supérieur est extrêmement fracturé, ce qui est cohérent avec l’enregistrement d'un grand nombre de séismes juste en dessous du Moho. La diminution à la fois du nombre de faille et du nombre de séismes avec la profondeur indique que la déformation diminue avec la profondeur jusqu'à 25-30 km, ce qui peut s’expliquer par la diminution de la serpentinisation avec l'augmentation de la température.

Entre 25-30 et 50 km de profondeur, le nombre de failles et le nombre de tremblements de terre restent tous deux constants. Ceci indique un changement dans le régime de la déformation de la lithosphère, probablement affecté et contrôlant également les propriétés (rhéologie) du manteau. Ainsi, juste en-dessous du Moho, la présence de seulement 10 à 15% de serpentinisation peut réduire la résistance de la lithosphère de façon significative. A une profondeur de 25-30 km, à la limite de stabilité de serpentinite, la résistence de la lithosphère peut augmenter. Dans ce cas, le résultat est une enveloppe de résistance avec un manteau supérieur par ailleurs peu résistant entre le Moho et environ 25 km de profondeur, et un manteau inférieur très résistant jusqu'à la base de la lithosphère.

 

3- Schéma 3D montrant les failles identifiées d'après l'imagerie sismique du profil GT3 (en noir), les foyers des séismes de 2012. Le haut du schéma figure la fosse et le prisme d'accrétion lié à la subduction. La coupe montre la structure de la lithosphère en fonction de la profondeur avec les sédiments (jaune), la croûte océanique (marron), le manteau serpentinisé jusque vers 25 km de profondeur et le manteau primitif (beige rosé). Une lithoshère océanique structurée en deux couches

Ces résultats suggèrent que la déformation de la lithosphère océanique du bassin Wharton peut être divisée en deux couches:

  • La lithosphère supérieure serpentinisée (SL) du Moho jusqu'à 25-30 km
  • Un manteau lithosphérique vierge (PL) à partir de 25 km jusqu'à la base de la lithosphère à 60 km de profondeur (Fig. 3).

Le modèle de faille finie des grands tremblements de terre du Bassin Wharton en 2012 montre également deux zones de glissement maximum, entre 5 et 25 km et entre 30 et 50 km, soutenant l’idée d'un modèle à deux couches de la déformation du manteau lithosphérique. Les études de modélisation numériques qui indiquent que les grands tremblements de terre s’initient dans un vaste régime de “points de résistance” à grande profondeur, tandis que les petits séismes s’initient à faible profondeur, sont confirmées par les tremblements de terre de 2012 et soutenues par les observations des chercheurs de l'IPGP.


La plupart des tremblements de terre normaux de l'arc externe se produisent dans la lithosphère serpentinisée alors que les événements cisaillants sont initiés en dessous de 25 km, jusque vers 40 km de profondeur dans le manteaux libre. Les failles lithosphériques profondes imagées ici peuvent agir comme des zones de faiblesse qui peuvent être réactivées en tant que failles de chevauchement. La lithosphère serpentinisée hautement fracturée pourrait transporter une grande quantité d'eau dans la zone de Benioff . La déshydratation de la serpentinite à la limite SL / PL, observée sur l'image sismique, peut créer une zone réactive conduisant à de la sismicité et serait utile pour expliquer l'emplacement de la seconde (inférieur) zone Benioff observée ici dans les zones de Benioff doubles .

Note(s): 

1 Moho : lmite croûte manteaux situé à environ 15 km de profondeur dans le domaine océanique.

Source(s): 

Seismic evidence of a two-layer lithospheric deformation in the Indian Ocean, Yanfang Qin & Satish C. Singh. Nature Communication 14 Sep 2015, DOI: 10.1038/ncomms9298

Contact(s):
  • Satish Singh, IPGP (CNRS-INSU, Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité)
    singh [at] ipgp [dot] fr, 01 83 95 76 58

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