L'anisotropie sismique révèle un fluage du manteau autour de la racine des Alpes occidentales

Mercredi, 23 février 2011

L'analyse des données enregistrées par les stations sismologiques large bandes localisées dans les Alpes occidentales a permis à des chercheurs de Géosciences Montpellier (CNRS-INSU, Univ. Montpellier II) et de l'Institut des sciences de la Terre de Grenoble (CNRS-INSU, Univ. Grenoble 1) d'effectuer une première cartographie de la déformation du manteau supérieur sous l'arc alpin. La déformation dominante du manteau indique un important fluage dans l'asthénosphère qui semble mouler les grandes structures profondes sous la chaîne de montagnes et qui est probablement contrôlée par les mouvements récents des plaques plongeantes dans le manteau supérieur. Une étude publiée dans la revue Earth and Planetary Science Letters.


Bien que la chaîne des Alpes ait été largement étudiée depuis plus d'un siècle, les études se sont largement focalisées sur sa partie crustale (de l'ordre de la trentaine de km d'épaisseur), plus facile d'accès, alors que c'est l'ensemble des plaques lithosphériques (de l'ordre de 80 à 100 km d'épaisseur) qui a été mis en jeu lors des collisions continentales qui lui ont donné naissance. Si la déformation interne de la chaîne est bien visible à l'affleurement, des questions importantes restaient sans réponse quant à la déformation profonde de la lithosphère et du manteau sublithosphérique sous et autour de cette zone d'affrontement de plaques où la plaque Eurasie s'enfonce vers l'est sous la plaque apulienne.

Utilisation des réseaux sismologiques permanents et mobiles

Le développement important des réseaux sismologiques large bandes (qui enregistrent les mouvements du sol dans une large gamme de fréquences) ces dix dernières années offre aujourd'hui la possibilité d'exploiter des données de haute qualité pour cartographier la déformation du manteau sous la partie occidentale de l'arc alpin. Les stations permanentes et large bande des différents pays couvrant cette partie de la chaîne ont été utilisées pour cette étude : 23 stations du réseau Suisse SDSN (Swiss Digital Seismic Network), 5 stations italiennes du RSNI (Regional Seismic network of Northern Italy), 11 stations françaises du Réseau Large Bande Permanent (RLBP), ainsi que 11 stations déployées temporairement entre les Alpes et le Massif Central (expérience "Alpes"). En chacun de ces 50 sites, entre 2 et 10 années de données ont été analysées afin d'extraire les événements sismiques adéquats en magnitude et distance. Ces données ont permis d'effectuer environ 2000 mesures individuelles d'anisotropie (1) sur des phases SKS (2) dont environ 1200 ont montré des évidences claires d'anisotropie.

Fluage du manteau sous la chaîne des Alpes

Les auteurs de l'article observent ainsi que les directions de polarisation des ondes rapides montrent une rotation progressive proche de 180° entre le SE de la France et la partie orientale de la Suisse. Elles sont en effet orientées quasiment EW sous la région niçoise, puis NW sous la Provence et la vallée du Rhône, NS sous la Savoie et le Jura et s'orientent progressivement au NE dans la partie Est de la Suisse. Ces directions suivent l'arc alpin mais également l'anomalie de vitesse sismique rapide bien visible (en bleu) sous la chaîne par tomographie sismique. Cette anomalie visible jusqu'à des profondeurs de l'ordre de 300 km sous la plaine du Pô est interprétée comme la signature de la lithosphère européenne plongeant vers l'Est sous la plaque apulienne.

Les déphasages mesurés sont élevés et peuvent difficilement être expliqués par la seule lithosphère et a fortiori par la seule croûte, en particulier sous les zones externes d'avant-pays de la chaîne, où l'on n'attend pas de déformation forte du manteau lithosphérique liée à la tectonique alpine. Inversement, les stations localisées dans les zones internes de la chaîne sont caractérisées par des déphasages relativement faibles, alors que la déformation alpine de surface y est la plus forte. Les fortes anisotropies observées sous les zones externes suggèrent une localisation dominante de la déformation dans le manteau sublithosphérique. Les directions d'anisotropie indiquant alors un fluage du manteau asthénosphérique autour de la plaque européenne plongeant sous la plaine du Pô. Ce fluage peut représenter une déformation actuelle de l'asthénosphère mais représente plus probablement l'intégration de la déformation associée aux grands mouvements qui ont eu lieu depuis 15 millions d'années et qui ont accompagné les collisions et les subductions des Alpes et des Apennins ainsi que les ouvertures de micro-océans (mer Ligure, mer Tyrrhénienne, bassin algéro-provençal) dans la Méditerranée occidentale.

Note(s): 

    1. De la déformation à l'anisotropie sismique

    Ces deux dernières décennies, l'anisotropie sismique s'est imposée comme outil permettant de cartographier la déformation du manteau, et donc son fluage et sa dynamique. Le manteau supérieur, composé de 50 à 70% d'olivine (minéral silicaté fero-magnésien), n'est pas figé mais se déforme sous l'effet des mouvements induits par la tectonique des plaques ou bien par la convection profonde. Dans les conditions de pression et de température existant dans le manteau supérieur, l'olivine accommode la déformation à l'état solide mais de façon plastique, par des processus de création et de mouvement de dislocations au sein des cristaux. Au cours de cette déformation, les cristaux s'orientent progressivement dans la direction du fluage et acquièrent des orientations cristallographiques préférentielles. Chaque cristal d'olivine ayant des propriétés élastiques intrinsèquement anisotropes qui font que les vitesses des ondes sismiques varient selon la direction de propagation considérée, le milieu développe alors une anisotropie qui peut être cohérente à l'échelle de la dizaine voire de la centaine de kilomètre. Le milieu devient biréfringent et va affecter la propagation des ondes de cisaillement.

    Mesure sismologique de l'anisotropie

    Lorsqu'une onde de cisaillement (ondes S) traverse un milieu biréfringent, elle est polarisée selon deux plans perpendiculaires en deux ondes qui se propagent à des vitesses différentes. Par l'analyse des données sismologiques enregistrées par des stations qui mesurent les déplacements du sol selon 3 composantes, on peut retrouver l'orientation du plan de polarisation de l'onde rapide, qui est proche de la direction découlement de la matière. Le déphasage entre les deux ondes permet d'accéder à la magnitude de la déformation et à l'épaisseur de la zone déformée. Cette mesure de déphasage peut être utilisée pour étudier l'anisotropie depuis l'échelle centimétrique au laboratoire jusqu'à l'échelle de plusieurs centaines de km dans le manteau. Si les applications vont de la croûte supérieure (par exemple dans l'étude de l'état de microfracturation d'un réservoir pétrolier) à l'interface noyau-manteau (étude de la couche D"), le principe physique est le même, mais la nature de l'anisotropie, les ondes utilisées et leurs domaines de fréquence respectifs sont différents.


    2. Mesure de déphasage des ondes SKS télésismiques

    Afin d'appréhender la déformation du manteau supérieur lithosphérique et asthénosphérique sous une cible géodynamique comme une chaîne de montagnes, les ondes SKS sont particulièrement bien adaptées. Ces ondes sont générées à l'interface noyau-manteau, ont la propriété d'avoir une polarisation initiale connue et se propagent selon une direction proche de la verticale offrant une bonne résolution latérale de l'ordre de quelques dizaines de kilomètres. Elles utilisent la sismicité lointaine (à partir de 85° de distance épicentrale), ce qui signifie qu'ont peut les enregistrer à partir de séismes lointains dans des régions asismiques, stables.

    Les mesures d'anisotropie SKS dans une base de données mondiale

    Afin d'offrir à la communauté scientifique un accès aisé aux mesures d'anisotropie par le déphasage des ondes SKS, une base de données a été mise en place depuis 2007 par les chercheurs de l'équipe Manteau-Noyau de Géoscience Montpellier. Elle permet en quelques clics 1) de rechercher par station ou par région géographique les mesures disponibles dans la littérature, 2) de télécharger la base de donnée dans son ensemble (plus de 170 études représentant près de 5000 mesures y sont référencées) incluant données, références bibliographiques et fichier de visualisation Google Earth, et 3) de mettre à jour la base de donnée en ajoutant soi-même de nouvelles mesures en remplissant un formulaire en ligne qui est ensuite soumis pour validation au gestionnaire de la base de donnée. SplitLab, logiciel permettant d'effectuer les mesures de déphasage des ondes S est également en libre accès sur le site web de Géosciences Montpellier.

Source(s): 

Belt-parallel mantle flow beneath a halted continental collision: the Western Alps, Barruol, G., Bonnin, M., Pedersen, H., Bokelmann, G.H.R. & Tiberi, C., 2011. , Earth Planet. Sci. Lett., 302, 429-438 doi:10.1016/j.epsl.2010.12.040.
Guilhem Barruol: Université de La Réunion, CNRS, IPG Paris, Géosciences Réunion
Christel Tibéri, Mickael Bonnin: Université Montpellier II, CNRS, Géosciences Montpellier
Helle Pedersen:Institut des sciences de la Terre de Grenoble (CNRS-INSU, Univ Grenoble 1
Götz H. R. Bokelmann: Institute of Meteorology and Geophysics, University of Vienna,

Contact(s):
  • Guilhem Barruol, Géosciences Réunion (CNRS-INSU, IPGP, Univ. Réunion)
    guilhem [dot] barruol [at] univ-reunion [dot] fr, 262 (0)262 93 82 05

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