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

par Thomas Ferrand

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'environnement

Sous la direction de Alexandre Schubnel et de Nadège Hilairet.

Le président du jury était Philippe Agard.

Le jury était composé de Alexandre Schubnel, Nadège Hilairet, Philippe Agard, Muriel Andreani, Bruno Reynard, Javier Escartin.

Les rapporteurs étaient Marco Scambelluri, Stefan Nielsen.


  • Résumé

    Les séismes intermédiaires (30-300 km) ont été largement documentés dans les plaques océaniques en subduction mais leur mécanisme physique reste énigmatique. Des séismes se produisent dans les plans de Wadati-Bénioff supérieur et inférieur. Ce dernier se situe dans le manteau lithosphérique plongeant, 15 à 40 km sous l’interface de subduction, et est considéré dû à la déshydratation de l’antigorite, serpentine de haute température.Pour tester cette hypothèse et comprendre quel mécanisme est en jeu dans le plan inférieur, des expérimentations (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 model dans lequel un transfert de contrainte induit par déshydratation, et non par surpression de fluides, 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, peut-être plus vite qu’il n’est produit. 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 un mécanisme similaire, et donc que les expériences montrent un mécanisme de rupture représentatif de ce qui se passe dans la nature. D’autre part, de l’H2O, 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.

  • Titre traduit

    Experimental reproduction of mantle earthquakes analogues by antigorite dehydration & Comparison with natural pseudotachylytes


  • Résumé

    Intermediate-depth earthquakes (30-300 km) have been extensively documented within subducting oceanic slabs but their physical mechanisms remain enigmatic. Earthquakes occur both in the upper and lower Wadati-Benioff planes. The latter is located in the mantle of the subducted oceanic lithosphere, 15-40 km below the plate interface, and is thought to be due to the dehydration of antigorite, the high-temperature serpentine.To test this hypothesis and understand which mechanism is at play in the lower plane, both experiments (Griggs and D-DIA) and field work (Balmuccia, Italy) have been performed.Artificial peridotites were dehydrated during deformation at upper mantle conditions. Between 1 and 3.5 GPa, acoustic emissions are recorded in samples with only 5 vol.% antigorite. Associated microfaults are sealed by fluid-bearing pseudotachylytes, showing that antigorite destabilization triggered dynamic shear failure and frictional melting of olivine. These results lead to a model in which dehydration-induced stress transfer, rather than fluid overpressure, is the trigger of mantle rocks embrittlement.Simultaneously, a pseudotachylyte from the Balmuccia peridotite reveals the recorded sliding history of an ancient Mw > 6 earthquake. The co-seismic fault lubrication is complete and transient, as the melt could rapidly flow into tensile fractures generated by the rupture front pass through, possibly faster than it is produced. Melt suction within the fractures led to rapid cooling and may have promoted strength recovery and sliding arrest.This natural pseudotachylyte, one million times larger than the experimental ones, has formed at the same pressure and temperature. The high similarity between those experimental and natural faults indicates a similar mechanism at both scales, and thus that the experiments show a rupture mechanism representative of what happens in nature. Furthermore, H2O, found fossilized in the pseudotachylyte, was somehow present during the seismic rupture.This work reconciles decades of apparently contradictory studies on the possible link between mantle earthquakes and serpentine dehydration. At a certain scale, an antigorite fraction as low as 5 vol.% is sufficient to trigger seismicity, which could therefore ultimately be seen as an indicator for the degree of hydration in the lithospheric mantle.


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