Devenir d'une lithosphère en subduction dans le manteau terrestre : étude de sa déformation et des flux mantelliques associés

par Christelle Loiselet

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre

Sous la direction de Jean Braun et de Laurent Husson.

Soutenue en 2009

à Rennes 1 .


  • Résumé

    Dans une zone de subduction, différents acteurs principaux sont mis en jeu : la lithosphère en subduction, les lithosphères chevauchante et adjacentes et le manteau environnant. Leur interaction provoque une dynamique aux niveaux des zones de subduction qui se caractérise principalement par la sismicité, le volcanisme arrière arc, la migration du slab, la déformation de la plaque supérieure et enfin des flux mantelliques. Plus particulièrement, ces phénomènes soulignent l'existence d'une dynamique profonde associée à l'interaction entre la lithosphère en subduction et le manteau environnant. Les différentes étapes de l’évolution d'une lithosphère en subduction dans le manteau terrestre correspondent à des événements géologiques qui seront enregistrés et potentiellement préservés. De plus, les données sismologiques (tomographie sismique, anisotropie sismique), provenant des zones de subduction, nous renseignent sur la diversité des géométries des panneaux plongeants en profondeur et des flux mantelliques. Cependant, la géologie de surface et la tomographie sismique ne nous permettent pas de comprendre l’évolution temporelle du comportement de la lithosphère dans le manteau et la dynamique associée. De plus, malgré un effort permanent sur la compréhension de la dynamique des zones de subduction, la viscosité de la lithosphère est encore mal connue: à présent, le rapport de viscosité entre la lithosphère en subduction et le manteau avoisinant utilisé atteint des gammes très larges, allant de 1 à l'infini, ce qui est insatisfaisant et ce qui laisse une grande liberté d'interprétation sur la dynamique interne de la Terre. Les travaux que j'ai conduits sur cette problématique durant la thèse permettent désormais de remédier à cette lacune. Mon approche scientifique a consisté en la combinaison de trois différentes méthodes de modélisation (analogique, semi analytique et numérique) afin de contraindre la rhéologie qui régit la déformation de la lithosphère et les flux mantelliques associés. Par l'étroite confrontation des prédictions (modèles) et les observations disponibles (données sismologiques pour l'essentiel), j'apporte de nouvelles contraintes sur le devenir d'une lithosphère en subduction dans le manteau, couplées avec une précision sur la structuration du manteau. Les résultats des modèles au regard des données géophysiques prédisent une lithosphère faiblement visqueuse (le rapport de viscosité entre la lithosphère et le manteau ne saurait excéder 100) qui atteint lors de sa descente dans le manteau la forme spécifique d'une méduse. Ce résultat majeur apporte une nouvelle interprétation sur l'origine des épanchements de lithosphère dans le manteau profond et une précision sur la stratification entre le manteau supérieur et le manteau inférieur faible pour permettre ainsi la pénétration de la lithosphère dans le manteau inférieur. Cette étude apporte de nouvelles données sur la compréhension de l’interaction entre le flux mantellique et la lithosphère.

  • Titre traduit

    Fate of a subducting lithosphere in Earth mantle : study of its deformation and mantle flows associated


  • Résumé

    A subduction zone is composed of several components: the subducting lithosphere, the surrounding mantle and the overriding and adjacent lithospheres. The interaction of theses components is responsible for the complex dynamics of subduction zones which are characterised by seismicity, back-arc volcanism, trench retreat, deformation of the overriding plate and the flow within the surrounding mantle. Such surface phenomena highlight deep dynamics associated with the interaction between the subducting lithosphere and the surrounding mantle. The various phases in the evolution of a subduction system correspond to geological events that are recorded and, to some degree, preserved in the geological record. Seismological data (seismic tomography, seismic anisotropy) at different subduction zones show a large variety of slab geometries and mantle flow around convergent plate boundaries. Whilst seismic tomography does not allow us to understand the temporal evolution of the slab behaviour, surface geology does provide some insight into the time evolution, even though it carries little information regarding the dynamics of the slab and the surrounding mantle during subduction. Despite the vast amount of research conducted by the geodynamics community to understand the dynamics of subduction zones, the viscosity of the subducting lithosphere is not well constrained. At present, the viscosity ratio between the slab and surrounding mantle used in models of subduction zones ranges from one to infinity. Clearly this is unsatisfactory and such a wide range of viscosity contrasts leaves the dynamics of the Earth open to numerous interpretations. In this thesis, we aim to rectify this unresolved issue by providing a tighter constraint on the range of possible viscosity contrasts between the slab and the surrounding mantle. To quantify the viscosity contrast between the slab and surrounding mantle, I used the rheological dependence of the geometrical response of a viscous subducting slab, subjected to mantle flow induced by slab motion. By combining results from analogue experiments, semi-analytic solutions and 3D numerical methods, I was able to quantify the fate of a subducting slab in the mantle. The comparison of these model results, with geophysical data (mainly seismic tomography and earthquake distributions on a selection of subduction zones) indicated that the viscosity contrast between the slab and upper mantle is small and should not exceed 100. According to this weak slab prediction, the geometry of a subducting slab was observed to ultimately evolve into a “jellyfish" like shape. The weak slab prediction also provides a new explanation of the seismic anomalies observed in the deep mantle. Additionally, in order to support the observed slab penetration into the lower mantle, combined with the assumption of a weak slab, it was also possible to constrain the density contrast and the viscosity structure of the mantle, in particular, the ratio of upper to lower mantle viscosity.

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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2011 par Géosciences Rennes à Rennes

Devenir d'une lithosphère en subduction dans le manteau terrestre : étude de sa déformation et des flux mantelliques associés


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La version de soutenance existe sous forme papier

Informations

  • Détails : 1 vol. (202 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr. p. 174-199

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : Université de Rennes I. Service commun de la documentation. Section sciences et philosophie.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TA RENNES 2009/151

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  • Bibliothèque : Université Pierre et Marie Curie. Bibliothèque Universitaire Pierre et Marie Curie. Section Sciences de la Terre Recherche - cartothèque - CADIST.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 09 REN1 S151
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Cette thèse a donné lieu à une publication en 2011 par Géosciences Rennes à Rennes

Informations

  • Sous le titre : Devenir d'une lithosphère en subduction dans le manteau terrestre : étude de sa déformation et des flux mantelliques associés
  • Dans la collection : Memoire de Géosciences , 132 , 1240-1498
  • Détails : 1 vol. (205 p.)
  • Notes : Thèse soutenue à Rennes 1 sous le sceau de l'Université Européenne de Bretagne.
  • ISBN : 2-914375-75-1
  • Annexes : Bibliogr. p. 177-202
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