Upper plate deformation in retreating subduction zones

La déformation de la plaque supérieure dans les zones de subduction en retrait

• Auteur / Autrice : Manar Alsaif
• Direction : Frédéric Gueydan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 20/09/2019
• Etablissement(s) : Montpellier
• Ecole(s) doctorale(s) : GAIA (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Géosciences (Montpellier)
• Jury : Président / Présidente : Olivier Van Der Haeghe
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Gueydan, Olivier Van Der Haeghe, Muriel Gerbault, Christel Tiberi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Van Der Haeghe, Muriel Gerbault

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lithosphère

Tectonique des plaques

Subduction

Mots clés libres

Subduction

Annulation

Plaque supérieure

Déformation

Subduction

Rollback

Upper plate

Deformation

Trench retreat

Résumé

La surface de la Terre est en permanence remodelée par les mouvements des plaques tectoniques, dont le moteur principal est la subduction, i.e. le plongement de plaques océaniques dans le manteau profond. Les fosses océaniques de subduction constituent également des limites de plaques mobiles, et les observations montrent que, sur des échelles de temps géologiques de plusieurs millions d’années, ces fosses reculent (vers la plaque plongeante) ou avancent (vers la plaque chevauchante/supérieure). Historiquement, le retrait de la fosse a été associé à une extension de la plaque supérieure au-dessus du panneau plongeant. Cependant, les zones de subduction sur Terre montrent plusieurs exemples de fosses en recul associées à des contraintes compressives. Cette thèse étudie la déformation (arrière-arc) de la plaque supérieure pour une subduction en retrait. Trois approches ont été utilisées : des modèles numériques explorant les processus physiques mis en jeu à grande échelle, des profils sismiques en mer Égée centrale permettant d’étudier la répartition des failles à l’échelle du bassin, et des observations de terrain pour caractériser l’évolution temporelle de la déformation de la plaque supérieure en mer Égée centrale. Les modèles thermo-mécaniques à grande échelle reproduisent une déformation visqueuse de la plaque supérieure, et permettent d’analyser les relations entre traction du slab, recul du slab, retrait de la fosse et déformation de la plaque supérieure, à des échelles allant de 100 à 1000 km. Ils montrent que des courants dans le manteau asthénosphérique sous les plaques (vers 100-200 km de profondeur) peuvent contrôler à la fois le mouvement relatif de la fosse et la déformation de la plaque supérieure. Cette dernière dépend également des conditions mécaniques aux limites: si la plaque est libre de bouger, sa déformation sera plutôt compressive ; mais une plaque fixe sera en extension. Ce dernier cas est comparable à la région de la mer Égée, une plaque supérieure montrant de l’extension et associée à une zone de subduction étroite en retrait. Les structures extensives associées ont été analysées grâce à l’observation sur le terrain et à l’étude de profils sismiques, révélant des failles normales, obliques et décrochantes synchrones. Cela est interprété comme résultant de la combinaison de contraintes extensives associées au recul de la fosse et de contraintes décrochantes associées à l’extrusion d’un bloc voisin. La rotation et le recul de la fosse réactivent d’anciennes failles normales dans un mode oblique-extensif, et engendrent des nouvelles failles purement normales. Les données suggèrent également un changement récent de l’état de contrainte mécanique dans la plaque, qui pourrait être dû à une déchirure du panneau plongeant côté Ouest. En sus, l’accélération du recul de la fosse et l’intensification de l’extension de la plaque supérieure expliquent probablement le flux de chaleur élevé en mer Égée, ce qui rend l’énergie géothermique potentiellement exploitable dans cette zone. Une évaluation de l’apport de la modélisation tectonique pour prédire le potentiel géothermique est finalement présentée comme perspective de l’application des recherches en géodynamique, s’appuyant sur l’exemple de la plaque supérieure égéenne amincie.

The Earth’s surface is constantly reshaped by the tectonic plate motion, which is mainly driven by subduction of plates into the deeper mantle. Subduction trenches are also mobile plate boundaries, and are observed to retreat towards the subducting plate or advance towards the upper plate over geological time. Trench retreat has been historically thought to cause extension in the upper plate above the subducting slab. However, natural subduction systems show several examples of retreating trenches that are associated with upper-plate compression. This thesis explores upper plate (back-arc) deformation in retreating subduction systems. Three techniques are used: large-scale numerical models addressing physical processes; seismic profiles in the Central Aegean addressing basin-scale fault patterns; and field-scale observations clarifying fault kinematics in the Central Aegean. The large-scale thermo-mechanical models deal with viscous deformation of the upper plate, and investigate the relationship between slab pull, slab rollback, trench retreat and upper plate deformation at scales of 100 to 1000 km. They show that asthenosphere flows below the plates (100-200 km depth) can control both trench retreat and upper plate deformation. The type of deformation in the upper plate also depends on the plate’s far-field conditions: if the plate is free to move, deformation tends to be compressive, but a fixed upper plate shows extension. The latter is comparable to the Aegean region, an upper plate exhibiting extension above a narrow, retreating subduction zone. Related extensional structures in the central Aegean have been analysed from seismic and field data, revealing co-existing normal, oblique and strike slip faults. These features reflect a combination of rollback-related extension and extrusion-related strike slip activity. Resulting block rotation and trench retreat re-activate inherited normal faults in oblique-normal slip, while new pure-normal faults are created. We also infer a recent change in stress state possibly related to the slab tear on the western side of the Hellenic slab. Additionally, accelerated trench retreat and upper plate extension are the cause of the Aegean’s high surface heat flow, which makes it potentially suitable for geothermal energy production. As a final perspective on the application of geodynamic research, an assessment of the role of tectonic modelling in predicting geothermal energy potential is presented, using the stretched Aegean upper plate as an example.