Les forces résistantes de la tectonique des plaques : apport des données gravimétriques dans les modèles numériques

• Auteur / Autrice : Yann Krien
• Direction : Luce Fleitout
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Terre, océan, espace
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Subduction

Rhéologie

Tectonique des plaques

Résumé

Cette étude a pour principal objectif d'apporter des contraintes sur la structure! mécanique des zones de subduction et sur l'intensité des forces qui s'opposent à la tectonique des plaques. A l'aide de modèles dynamiques 2D de zone de subduction, cartésiens et instantanés, avec des rhéologies Newtoniennes ou en loi de puissance, nous montrons dans une première partie que les données gravimétriques ne peuvent être reproduites que si le couplage entre les plaques est limité, et que la résistance de la lithosphère subductante lors de la flexure est relativement faible. La gravité et les anomalies de géoïde (de longueurs d'ondes comprises entre 100 km et 4000 km environ) sont en général correctement reproduites dans le cas où les contraintes déviatoriques sont modérées. Nos résultats indiquent que seule une petite portion du poids de la plaque plongeante est transmise à la lithosphère en surface. Près de 10% de l'énergie est dissipée dans la zone de contact entre les plaques, 10-20% dans la région de flexure, et plus de 70% dans le manteau sub-lithosphérique. Les tractions en base de plaques induisent un déplacement net de la lithosphère, qui se traduit par une asymétrie des vitesses en surface. Dans le cas d'une circulation mantellique globale, les anomalies de géoïde déterminées numériquement présentent une "bosse" à des longueurs d'onde intermédiaires (λ≈2000-4000km), qui n'est pas observée. Nous montrons qu'il est possible de réconcilier les observations avec les prédictions du modèle si l'on tient compte de forces de résistance au flux mantellique associées aux transitions de phases du manteau profond. Afin de mieux comprendre l'origine de ces forces, nous nous sommes intéressés par la suite aux variations volumiques accompagnant les changements de phase. A l'aide de modèles analytiques et numériques simples, nous montrons que les changements de volume "macroscopiques" (à l'échelle du manteau) peuvent altérer de manière significative le flux mantellique et les observables de surface comme la gravimétrie, dans le cas d'une discontinuité fine et visqueuse. En partant du modèle de croissance de grain de Morris [2002], nous montrons par ailleurs que les changements de volume à l'échelle microscopique sont susceptibles d'engendrer des déflections des zones de transitions de plusieurs kilomètres, y compris dans le cas de rhéologies non-Newtoniennes pour lesquelles la viscosité effective est relativement faible.

Ln this study, we use short -and intermediate- wavelengths gravity and geoid anomalies (≈100-4000km) to provide constraints on the mechanical structure of subduction zones and on the forces involved. We perform 2D instantaneous dynamically self-consistent models with Newtonian or power-law rheologies, and show that both strong decoupling of the two convergent plates and weakened bending lithosphere are necessary to reproduce the observed geoid and gravity data. Good fit are found for relatively low failure stresses. Only a small fraction of the downgoing slab weight is transmitted to the surface plates. About 10% of the energy is dissipated in the contact zone between the two plates, 10% to 20% in the bending region, and more than 70% in the sub-lithospheric mantle. The basal tractions induce a net motion of the plates, with the subducting lithosphere moving faster than predicted by the no-net motion principle. A marked positive geoid anomaly is predicted above subduction zones at intermediate wavelengths (λ≈2000-4000km) in the case of pure whole mantle convection. Such large geoid highs are not observed. We show that partial layering associated to phase transitions in the deep mantle allows to reconcile modeI prediction and observations for these wavelengths. Ln an effort to understand the physical mechanisms involved, we studied the kinetic effects of volumes changes during phase transformations. Using simple analytical and numerical models we show that macroscopic volumes changes can reduce the mantle flow significantly in the case of a thin and viscous discontinuity. Building on the nucleus growth model of Morris [2002], we also show that volume changes on a microscopic scale can induce a deflection of the phase transition zones by several kilometers even in the case of non-Newtonian rheologies and for quite low values of viscosity.