Reproduction expérimentale d'analogues de séismes mantelliques par déshydratation de l'antigorite et comparaison à des pseudotachylites naturelles

Axe 5 - Matériaux en conditions extrêmes

Thèse de Thomas FERRAND

Soutenue le 2 février 2017 à 14h
Salle Froidevaux (E314)
Laboratoire de Géologie de l'École Normale Supérieure
24 rue Lhomond 75005 Paris

Co-tutelle

• Laboratoire de Géologie de l'École Normale Supérieure
• Institut des Sciences de la Terre de Paris

Résumé

Les séismes intermédiaires (30-300 km) ont été largement documentés dans les plaques océaniques en subduction mais leur mécanisme reste énigmatique. Des séismes se produisent dans les plans de Wadati-Bénioff supérieur et inférieur. Le plan inférieur se localise dans le manteau lithosphérique plongeant, 15 à 40 km sous l’interface de subduction. Cette sismicité correspondrait à la déshydratation de l’antigorite,
serpentine de haute température, vers 600 °C.

Pour tester cette hypothèse et comprendre quel mécanisme est en jeu dans le plan inférieur, des expériences (Griggs et D-DIA) et une étude de terrain (Balmuccia, Italie) ont été effectuées.

Des péridotites artificielles ont été déshydratées pendant leur déformation dans des conditions typiques du manteau supérieur (1 à 3.5 GPa). Des émissions acoustiques sont enregistrées dans des échantillons comportant 5% vol. d’antigorite. Les microfailles associées sont scellées par des pseudotachylites contenant des fluides, montrant que la déstabilisation de l’antigorite a déclenché une rupture dynamique et la fusion de l’olivine sur la surface de faille. Ces résultats mènent à l’établissement d’un modèle dans lequel un transfert de contrainte induit par déshydratation est le déclencheur de la fragilisation des roches du manteau.

Parallèlement, une pseudotachylite de la péridotite de Balmuccia révèle l’enregistrement de l’histoire du glissement d’un séisme fossile de magnitude Mw > 6. La lubrification co-sismique est complète et transitoire, car le magma peut rapidement s’écouler dans les fentes en tension lors du passage du front de rupture. L’aspiration du magma mènerait à un refroidissement permettant le rétablissement de la résistance et l’arrêt du glissement.

Cette pseudotachylite naturelle, un million de fois plus grande que son analogue expérimental, s’est formée dans les mêmes conditions de pression et de température. La grande similitude entre ces failles sur le terrain et au laboratoire indique que les expériences montrent un mécanisme de rupture représentatif de ce qui se passe dans la nature. D’autre part, de l’eau, trouvée fossilisée dans la pseudotachylite, était présente pendant la rupture sismique.

Ce travail réconcilie des décennies d’études semblant contradictoires sur le lien entre séismes mantelliques et déshydratation de l’antigorite. À une certain échelle, une fraction d’antigorite de seulement 5% vol. suffit à déclencher une sismicité, qui pourrait finalement être vue comme un indicateur du degré d’hydratation dans le manteau lithosphérique.

Publications

• Thomas P. Ferrand, Nadège Hilairet, Sarah Incel, Damien Deldicque, Loic Labrousse et al. 
  Dehydration-driven stress transfer triggers intermediate-depth earthquakes
  Nature Communications, Nature Publishing Group, 2017, 8, pp.15247.
  DOI : 10.1038/ncomms15247
  Ref HAL : hal-01534482v1