Des tremblements de terre déclenchés par la déshydratation du manteau lithosphérique

Mardi, 6 juin 2017

Les séismes intermédiaires, qui ont lieu entre 30 et 300 km de profondeur, ont été largement documentés dans les plaques océaniques en subduction. Mis en évidence il y a près de 100 ans par Kiyoo Wadati, poète, météorologue et géologue japonais, leur mécanisme reste pourtant énigmatique. Une équipe de scientifiques du Laboratoire de Géologie de l’Ecole Normale Supérieure (ENS Paris/CNRS), de l’Unité des Matériaux et Transformations, UMET (Université de Lille – Sciences et Technologies/ENSC Lille/CNRS/INRA), de l’Institut des Sciences de la Terre de Paris, ISTEP (CNRS/Université Pierre et Marie Curie) et de diverses institutions internationales s’est penchée sur le sujet. Le résultat de ces recherches, publiées dans Nature Communications en Mai 2017, démontre que la déshydratation du manteau lithosphérique peut provoquer des tremblements de terre.

Les séismes intermédiaires se produisent dans les plans de Wadati-Bénioff supérieur et inférieur. Le plan supérieur est situé à proximité de l’interface de subduction, où le frottement de la plaque plongeante par rapport à la plaque chevauchante induit une intense déformation. Le plan inférieur, découvert dans les années 70, se localise dans le manteau lithosphérique plongeant, 15 à 40 km sous l’interface de subduction.

Le manteau supérieur est quasi-exclusivement constitué de péridotite, roche principalement composée d’olivine, minéral majoritairement fait d’oxygène, de magnésium et de silicium. Certains minéraux sont hydroxylés, c’est-à-dire qu’ils comportent de l’eau dans leur structure cristalline. Quand le manteau est hydraté, les minéraux qui se forment sont les serpentines. En contexte de subduction, à des températures dépassant 400°C, la seule serpentine stable est l’antigorite.


Représentation schématique d’une zone de subduction (droite) et d’un système décrochant (gauche), où se déclenchent régulièrement des tremblements de terre dans le manteau. La ligne verte dans le manteau lithosphérique plongeant, parallèle à l’interface de subduction, indique sa limite d’hydratation avant son entrée en subduction. Les tremblements de terre (étoiles rouges) se produisent bien entre les isothermes 600 et 800°C, mais il semble qu’ils soient surtout localisés au voisinage de cette limite d’hydratation. / Crédits: T.Ferrand
La sismicité du plan de Wadati-Bénioff inférieur est bien corrélée à la déshydratation de l’antigorite, aux alentours de 600 °C, mais le lien de causalité restait à découvrir. Afin de comprendre par quel mécanisme ces séismes sont déclenchés, des expériences ont été menées en laboratoire. Des péridotites artificielles ont été déshydratées pendant leur déformation dans des conditions typiques du manteau supérieur, à des pressions de 1,1 et 3,5 GPa, ce qui correspond à des profondeurs avoisinant 40 et 130 km. Ces expériences ont été réalisées dans une presse triaxiale D-DIA, sous rayonnement synchrotron. L’évolution de la contrainte est suivie grâce à l’étude de la diffraction des rayons X. Parallèlement, les émissions acoustiques sont enregistrées. Ces dernières constituent la preuve de ruptures dynamiques, c’est-à-dire de séismes, dans l’échantillon pendant sa déformation et/ou déshydratation.

De petits séismes sont ainsi déclenchés dans des échantillons comportant 5 % d’antigorite. Les ondes enregistrées sont émises lors de ruptures sismiques au sein du squelette d’olivine de l’échantillon déformé. Les microfailles associées sont scellées par des pseudotachylites, c’est-à-dire par de la roche fondue et solidifiée au moment du glissement sur la faille. Ces pseudotachylites contiennent des bulles d’eau, également présente dans les réseaux d’antigorite déshydratée.

Cette étude démontre qu’un transfert de contrainte induit par déshydratation déclenche la fragilisation des roches du manteau. Ainsi, elle réconcilie des décennies d’études semblant contradictoires sur le lien entre séismes mantelliques et déshydratation de l’antigorite. À une certaine échelle, une fraction d’antigorite de seulement 5 % suffit à déclencher une sismicité, qui pourrait finalement être vue comme un indicateur du degré d’hydratation dans le manteau lithosphérique.


Diagramme de phase montrant le champ de stabilité de l’antigorite, la sismicité naturelle et l’activité acoustique enregistrée au laboratoire. Les chemins P-T expérimentaux sont indiqués par les flèches grises et l’activité acoustique par des cercles plus ou moins larges en fonction du nombre d’événements enregistrés. Les conditions P-T de la séismicité naturelle dans des plans de Wadati-Bénioff inférieurs sont indiquées par les points en transparence (une couleur par région indiquée en haut à droite). CHZ/HSZ : géothermes des zones de subductions Froide/Chaude (Cold/Hot). Fo = forsterite ; Atg : antigorite ; En : enstatite ; ’tl’ : phases ’talc-like’. P.2005 (Perrillat et al., 2005) : "talc-like" in (reaction 1) ; W&S.1997 (Wunder & Schreyer, 1997) : enstatite in. Les segments noirs indiquent l’initiation et la fin des réactions observées expérimentalement ; "Atg -" indique la déstabilisation rapide de l’antigorite correspondant au début de la réaction 2. Réaction 1 : antigorite = forsterite (olivine) + phase hydratée ‘talc-like’ + H2O Réaction 2 : forsterite + ‘talc-like’ = enstatite (pyroxene) + forsterite + H2O /Crédits: T.Ferrand

Source(s): 

 Ferrand, T.P., Hilairet, N., Incel, S., Deldicque, D., Labrousse, L., Gasc, J., Renner, J., Wang., Y., Green, H.W. II & Schubnel, A. 2017. Dehydration-driven stress transfer triggers intermediate-depth earthquakes, Nature Communications 8, 15247. Mai 2017
DOI : 10.1038/ncomms15247

 

Contact(s):
  • Thomas Ferrand, LG-ENS
    ferrand [at] geologie [dot] ens [dot] fr, 06 37 50 72 42

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