F1b : La subduction de nos jours et dans le passé
La compréhension de la dynamique de la Terre et les interactions entre la planète et l’hydrosphère et la biosphère nécessite de quantifier les processus responsables de ces interactions. La théorie de la tectonique des plaques, les principes de géochimie appliquées au suivi de la surface de la Terre et aux processus profonds, ainsi que les études des bio-minéraux sont des exemples de réalisations obtenues à l’IPGP au cours des dernières décennies. Cependant, la compréhension de la dynamique de la Terre dynamique et notamment son initiation reste mal connue. Pour combler l’écart entre la dynamique actuelle et primitive de la Terre, des sous-projets liés à l’exploration de la proto-Terre et à l’étude des analogues modernes sont mis au point conjointement. L’effort est consacré à 1) l’exécution d’une opération de forage d’une nouvelle succession stratigraphique clé de l’Eon Archéen et 2) de contraindre les taux et les régimes de déformation sur une gamme d’échelles spatiales le long de la Marge Chilienne.
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Déformation active et activité sismique le long de la zone de subduction andine au Chili
Coordinateurs: R. Armijo (IPG Paris, France), R. Lacassin (IPG Paris), N. Shapiro (IPG Paris), J.P. Vilotte (IPG Paris)
Collaborations internationales : Universidad de Chile (J. Campos and G. Vargas), Universidad Católica del Norte (G. Gonzalez), GeoForschungsZentrum (GFZ) Potsdam (O. Oncken), University Potsdam (M. Strecker)
La zone de subduction andine au Chili, résultant de la convergence rapide de la plaque de Nazca sous la plaque Amérique du Sud, est une des plus actives au monde comme l’atteste la chaîne des Andes, la plus grande chaîne de montagne et de hauts plateaux de la planète, et la forte activité sismique associée avec quatre très grands séismes sur les 120 dernières années. Les questions scientifiques aujourd’hui sont une meilleure compréhension des processus de déformation transitoire et permanente, leurs variations et leurs interactions, le long de la zone de subduction au Chili. L’objectif, ayant de fortes implications sociétales et économiques, est d’intégrer ces différentes échelles spatiales et temporelles au sein d’un modèle géodynamique.
La zone de subduction Andine au Chili, et les principaux grands tremblements de Terre associés : la taille de la zone de rupture des tremblements de Terre est shématisée par les ellipses. La vitesse et la direction moyennes de convergence entre la plaque Nazca et la plaque Amérique du Sud sont symbolisées par une flèche. Les principales barrières associées à la segmentation de la zone de subduction sont pointées sur la carte.
Répondre à ces questions, requiert des méthodes innovantes d’analyse et de modélisation des données générées par les études de terrain en tectonique et paléo-sismologie, les systèmes d’observation haute-résolution intégrant les réseaux de surveillance géodésiques et sismologiques, opérés par le Laboratoire International Associé « Montessus de Ballore » (https://www.lia-mb.net), l’initiative franco-chilienne entre le CNRS-INSU et l’Université du Chili (Santiago), dont l’IPGP est un des principaux partenaires, et par les systèmes d’observation satellitaire (InSAR).
Les objectifs du projet sont:
- L’analyse détaillé du grand séisme de Maule (Mw 8.6, 27 Février 2010, Chili Central), en termes du processus de rupture, de déformation crustale associée, de changements de propriétés de la croute associés, ainsi que son implication pour l’évaluation de l’aléa au nord de la région centrale du Chili, en particulier au niveau de Valparaiso. Cette analyse exploite la grande masse, et la résolution unique, des données disponibles aujourd’hui intégrant données sismologiques (aux échelles régionales et globales), géodésiques, et géologiques. Les leçons de cette étude auront d’importantes implications et applications pour l’étude de l’aléa sismique au Nord Chili menée dans un deuxième temps.
- L’étude de la déformation permanente, associé à la construction des Andes par raccourcissement tectonique, mesurée sur des échelles de temps de 103-107 ans, à peine plus longues que celles du cycle sismique pour les séismes de subduction. Le but est de caractériser l’évolution des structures géologique de vergence ouest en relation avec les processus de la subduction. Le but est de construire un modèle mécanique sera intégrant accrétion tectonique et interface de subduction de manière consistante avec l’évolution tectonique et morphologique le région des Andes centrales et de l’Altiplano. Cette étude impliquera de nouvelles observations de terrain qui seront collectées au cours du projet.
Ce projet a supporté financièrement un post-doc d’un an, attribué à Natalia Poiata, et un nombre de missions de terrain pour les études tectoniques.
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Position Nom Laboratoire Grade, employeur WP leader Nikolai Shapiro IPGP DR CNRS WP membre Anne Le Friant IPGP DR CNRS WP membre Nathalie Feuillet IPGP Physicienne , IPGP WP membre Guyard Hervé IPGP Post-Doc WP membre Seibert Chloé IPGP Doctorant/IPGP WP membre Pierre Agrinier IPGP Professeur, IPGP WP membre Alberto Roman IPGP Post-Doc WP membre William Frank IPGP Post-Doc WP membre Jean Soubestre IPGP Post-Doc WP membre Léonard Seydoux IPGP Doctorant/IPGP WP membre Kairly Jaxybulatov IPGP Doctorant/IPGP WP membre Sergey Abramenkov IPGP Doctorant/IPGP -
Pendant les trois années du WP F1b, nous avons suivi le plan proposé et travaillé dans les deux régions cibles : les Petites Antilles et les zones de subduction du Kamchatka. Nous avons analysé et interprété les données recueillies antérieurement et effectué de nouvelles expériences sur le terrain. Nous avons également travaillé sur l’analyse des données géophysiques d’autres zones de subduction (Mexique, Indonésie) qui contribuent à la compréhension des processus actifs sismogènes et volcaniques.
Ce travail a donné lieu à plusieurs publications et présentations lors de réunions scientifiques internationales. Le soutien du Labex nous a également permis d’obtenir d’autres financements qui servent à étendre nos études sur la dynamique des zones de subduction dans les deux régions cibles. L’expertise développée par notre équipe dans les Petites Antilles grâce au soutien du programme Labex WP F1b permet de développer un nouveau programme de recherche sur la zone de subduction de Ryukyu au Japon en collaboration avec des collègues de l’Université TOKYO et du Earthquake Research Institute. Le programme a débuté en janvier 2016. Il a été financé par l’INSU en 2017.
Grâce à l’expertise acquise dans le cadre du programme Labex en paléosismologie et volcanologie subaquatique, deux jeunes chercheurs (qui obtiennent leur doctorat à l’IPGP) ont été sélectionnés pour participer à l’expédition IODP 372 en 2017 (Morgane Brunet) et à l’expédition IODP 381 en 2018 (Gino de Gelder).
A – Petites Antilles
Pour contraindre un large éventail de processus volcaniques, tectoniques et d’érosion dans les Petites Antilles afin de caractériser un système volcanique intégré, permettant l’évaluation des flux de masse à l’échelle de tout l’arc, nous nous sommes concentrés sur les sédiments d’offshore profond comme un enregistrement continu d’événements volcaniques extrêmes, de tremblements de terre, de pertes de masse et de processus d’érosion comme moteurs de l’évolution à long terme (construction et destruction) d’un arc volcanique aux marges convergentes. Cela a nécessité la création d’une nouvelle équipe multidisciplinaire (volcanologie, tectonique, géophysique marine et sédimentologie) qui doit travailler à une meilleure compréhension de l’évolution de l’arc volcanique à une échelle qui comble l’écart entre les études volcanologiques locales conventionnelles à terre et les études géodynamiques à l’échelle des plaques.
La base de données a été enrichie de 42 carottes pour un total de 510 m de sédiments et de nouvelles données géophysiques lors de la campagne CASEIS entre le 27 mai et le 5 juillet 2016 sur le navire de recherche français “Pourquoi Pas ?”.
L’ensemble de données disponibles dans les Petites Antilles est maintenant exceptionnel, couvrant des échelles de temps et d’espace jamais atteintes dans d’autres arcs volcaniques dans le monde. Nous aurons le potentiel d’accéder à l’histoire de 4 millions d’années d’événements extrêmes ayant eu un impact sur l’ensemble de l’arc sur des distances de plusieurs centaines de kilomètres.
B – Kamchatka
B-1 Échantillonnage géochimique des sources d’eau pour les flux de C et de Cl
En 2017, nous avons poursuivi la construction d’un modèle pour l’injection de carbone des réservoirs de surface dans le manteau via des zones de subduction et pour le flux de retour à la surface via le magmatisme de l’arc.
B-2 Études sismologiques des volcans actifs
Nous avons poursuivi l’analyse des données des stations sismiques permanentes exploitées par la branche Kamchatka du Service géophysique russe (ces données ont été obtenues grâce à une collaboration établie dans le cadre du projet labex). Tout d’abord, nous avons développé une nouvelle méthode pour détecter et localiser les tremblements volcaniques (Shapiro et al., 2014, 2015 ; Droznin et al., 2015). Ensuite, nous avons effectué une étude de la sismicité volcanique à longue période et établi sa relation avec la préparation des éruptions volcaniques (Shapiro et al., 2016).
B-3 Études géodésiques du cycle sismotectonique dans la zone de subduction du Kamchatka.
Grâce à notre collaboration avec la branche Kamchatka des Etudes géophysiques russes, nous avons obtenu les enregistrements des stations GPS permanentes opérant dans la péninsule depuis 2005. L’analyse initiale de ces séries chronologiques a révélé quelques épisodes de déformation transitoire précédant le séisme profond de la mer d’Okhotsk de 2013 (Walpersdorf et al., 2016).
C – Autres zones de subduction
En plus des études aux Petites Antilles et au Kamchatka, nous avons travaillé avec les données d’autres zones de subduction. L’ensemble de données sismologiques du Mexique a été utilisé pour étudier le rôle des séismes lents dans le cycle sismotectonique (Frank et al., 2016). En Indonésie, nous avons effectué une série d’études de tomographie sismique de volcans actifs (Koulakov et al., 2016b,c ; Jaxybulatov et al., 2016). Nous avons également développé un nouveau programme de recherche sur la zone de subduction de Ryukyu au Japon en collaboration avec l’université TOKYO et le Earthquake Research Institute. Le programme a débuté en janvier 2016. Il a été financé en 2017 par le CNRS-INSU et nous avons déjà effectué 3 sorties sur le terrain pour analyser les microatolls coralliens afin de mieux contraindre le cycle sismique de la tranchée de Ryukyu. Les résultats préliminaires ont été présentés lors de plusieurs réunions internationales.