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École doctorale Environnement
Thèse de doctorat
Propagation de la rupture sismique dans la lithosphèreRémi MAGOTT
Membre
J, Rapporteur
HProfesseurRapporteur
Carole, Professeur ExaminatrP, Professeur ExaminateurC, Professeur
Examinateur
O : Professeur,
M : Co
2 3Résumé
roches mafiques et ultramafiques accrétées ou obductées sur les continents corse.De par leurs ma
l. séparant les unités ultramafiques et mafiques formant la na des discontinuit t la péridotite fraiche ou des réseaux de pseudotachylytes 4 5Abstract
Propagation of the seismic rupture in the oceanic lithosphere By their high magnitude and their ability to generate 6 7Remerc
venu de remercier tous ceux sans qui cette étuOlivier Fabbri Marc Fournier, qui
compétences issues du master. Il évident. Merci à Olivier pour son suivi efficace, ses encouragements, sa patience et sadécrypter un terrain pas si évident. Merci à Marc pour sa bonne humeur et sa connaissance du
Philippe Agard Claudio Rosenberg
trois années de thèses à BesançoCybèle Cholet, Vincent Trincal, Pauline Jeanneret, Mickaël Rabin, Aurélien Vallet, Jean Poilvet, Méline Salze Maxime Vievilleavec quiFlavien Choulet Henri Leclère
Véronique Sylvain
me suivre dans des études pourtant bien longues et pas toujours évidentes à cerner. Merci à vous de
8 9Table des matières
Résumé
Abstract
Remercieme
Table des matières
Introduction générale
Partie 1
Chapitre 1
I.1. Généralités sur la sismicité.
I.1.2. Organisation structurale des séismes de subducI.1.2.2. Les zones sismiques de W
I.2. Les processus de nucléation des séismes en contexte de subduction.I.2.1. Les processus
I.2.1.1. Importance des relations fragile
I.2.1.2. Rôle des circula
I.2.2. Les processus de nucléation des séismes à profondeur intermédiaire. I.2.2.1. Les ruptures associéesDehydration embrittlement). I.2.2.1.1. La déshydratation de la serpentinite.I.2.2.1.2. La
I.2.2.1.3. La déshydratation de la lawsonite.
I.2.2.2. Les ruptures associées aux instabilitself). I.2.3. Les processus de nucléation des séismes de grandes profondeurs.I.2.3.transformational faulting).
I.2.3.2. Les ruptures associées aux réactions de déshydratation (dehydration embrittlement).
I.2.3.3. Ruptures associées aux instabilités thermiques (Self).Chapitre 2
II.1. Définition et caractéristiques des pseudotachylites.II.1.1. Caractéristiques macroscopiqu
II.1.2. Aspects géochimiques et minéralogiques des pseudotachylites. II.1.3. Profondeur de formation et influence du régime de déformation. II.1.4. Impact de la lithologie et du type de faille dans la formation des pseudotachylites. 10 II.3. Relation entre pseudotachylites et cataclasites. II.5. Paramètres pouvant limiter ou empêcher la fusion frictionnelle.Chapitre 3
III.1. Généralités et localisation de la Corse alpine.III.2. Contexte géologique de la Corse alpine.
III.2.1. Aspects tectono
III.2.1.1. Le métamorphisme dans les Schistes Lustrés. III.2.1.2. Le métamorphisme dans les nappes supérieures. III.2.1.3. Organisation structurale de la Corse alpine.III.2.2. Les phases de déformation associées à la mise en place des unités de la Corse alpine.
III.2.3. Modèle de formation de la Corse alpine dans le cadre de la Méditerranée occidentale.
III.3. Les ophiolite de la Corse alpine.
III.3.1. Structure des lithosphères océaniques liguroPartie 2
Chapitre 4
IV.2. Structure et lithologies de la nappe du Cima di GrateraIV.2.1.1. Pétrographie des péridotites.
IV.2.1.2. Pétrographie des serpentinites.
IV.2.2.1. Pétrographie du mét
IV.2.2.2. Pétrographie du métagabbro folié. IV.3. Les pseudotachylites de la nappe du Cima di Gratera. IV.3.1. Localisation des affleurements et échantillonnage. IV.3.2. Pétrographie des pseudotachylites ultramafiques de la nappe du IV.3.2.1. Description macroscopique des pseudotachylites ultramafiques.IV.3.2.2. Aspects microscopiques d
IV.3.2.3. Géochimie des microlites et de la matrice.IV.3.3. Pétrographie des pseudotach
IV.3.3.1. Description macroscopique des pseudotachylites mafiques.IV.3.2.
11IV.3.2.2.2. L
IV.3.2.3. Géochi
IV.3.2.3.1. Pseudotachylites à
IV.3.4. Altération et préservation des veines de pseudotachylites.IV.4. Récapitulatif.
Chapitre 5
Gratera.
Abstract.
IV.1. Introduction.
V.2. Geological settings and structure of the study area.V.2.1. General settings.
V.2.2. Structure of the study area.
V.2.2.1. The peridotite unit.
V.2.2.2. The metagabbro unit.
V.2.2.3. The contact between the two units.
V.3. Ps
V.3.1. Pseudotachylite in the peridotite unit: results from field mapping and from outcrop,V.3.1.1. General observations.
V.3.1.2. Geometry and kinematics of pseudotachylitesV.3.1.2.1. Flat
V.3.1.2.2. Steeply
V.3.1.2.3. Relative dating of flat
V.3.1.3. Pseudotachylite in the peridotite unit: microscopic observations. V.3.2. Pseudotachylites in the metagabbro unit: Result from outcrop, hand sample and thinV.3.2.1. Pre
V.3.2.2. Post
V.3.2.3. Pseudotachylite
V.4. Analysis of the seismic ruptures fossilized in the study area and comparison with present V.4.1. Significance of the ij2 contact and formation of metagabbro mylonite andV.4.2. Formation of peridotite pseudot
12V.4.2.1.1. Di
V.4.2.1.2. Did self
V.4.2.1.3. Did cataclasis facilitate seismic failure in the peridotite unit?V.4.3. Co
V.5. Conclusion.
Chapitre 6-
Abstract.
VI.1. Introduction.
VI.2. Geological setting.
VI.2.2. Study area
VI.2.3. The ultramafic unit
VI.2.4. The mafic unit
VI.2.5. The 2
VI.VI.2.5.2. B type DZ
VI.2.5.3. C type DZ.
VI.3. Deformation structures in the mafic unit deformation zones.VI.3.1. Ductile deformation structures.
VI.3.2. Pseud
VI.3.2.1. Veins in mylonitic metagabbro (sole and secondary mylonitic shear zones)VI.3.2.2. Veins in equ
VI.4. Metamorphic conditions in the mafic unit deformation zones.VI.4.1. Mylonitic metagabbro.
VI.4.2. Pseudotachylite veins.
VI.5. Kinematics in the mafic unit deformation zones.VI.5.1. Ductile deformation structures
VI.5.2. Pseudotachylite veins
VI.6. Discussion
VI.6.1. Chronology of deformation in the mafic unit DZs and correlation with the upperVI.6.2. Geodynamic setting for the d
VI.6.3. Significance of the lateral transition from pseudotachylite 13Partie 3
idotitique du Monte dehydration embrittlementRésumé
VII.1. Contexte géologique.
VII.2.1. Observations générales.
VII.2.2. Analyse structurale.
VII.2.3. Pétrographie des pseudotachylites.
VII.2.4. Géoc
VII.3. Les relations pseudotachylites cataclasites.VII.4. Description des épontes.
VII.5. Serpentinisation.
VII.5.2. Serpentinisation des veines de pseudotachylytes.VII.6. Discussion.
VII.6.1. Chronologie des évèn
VII.6.2. Comparaison avec le système de faille paléoVII.6.3. Significati
VII.8. Conclusion.
Conclusion et perspectives.
Bibliographie.
Table des figures
Chapitre 1
Chapitre 2
Chapitre 3
Chapitre 4
Chapitre 5
Chapitre 6
Chapitre 7
Conclusion
Tableau
Annexes
Échantillonnage
14 15Introduc
XXème
w= 9. Le séisme de Valvidia (Chili), considéré WSODQGH:DGDWL-
océaniques profonds (Programme IODP, par exemple). Une voie de recherche alternative consiste à
lithosphères océaniques accrétées ou obductées à la surface des continents lors des orogènes. Cette
16 océaniques et comportant des géologique régionale et de préciser les processus ayant déclenché la rupture. première partie synthèse bibliographique. Le rupture sismique en con de ruptures sismique y sera détaillé. EnfOcéan liguro
seconde partie fonctionnement paléo subduction alpine. LeJournal
17Journal of Structural Geology. Il détaille la déformation et le métamorphisme affectant la nappe du
absence de troisième partie comporte un seul chapitre décrivant de nouvelles occurrences de 18 19Partie
Contexte géologique et généralité
20 21Chapitre 1
I.1. Généralités sur la sismicité.
convergentes, décrochantes ou extensives, correspondent auxFig. 1.
w W est le plus puissant enregistré avec une magnitude MW> 9,5 ( peuvent être très variées avec des intervalles allant desފ profondsފ
produisent le long des failles de décrochement (Faille Nord 22Fig.1. épice
British Geological Survey-
séisme précurseur à MW=W=La structuration des foyers sismiques est décrite par les travaux précurseurs de Kiyoo Wadati entre la
été découverte, ce chercheur est le premier à démontrer une organisation en pente plongeante des
déclenchant souFig. années 40 et 50. Ce dernier a constaté que les tremblements de terre pr 23Fig.1.
ont pu déterminer que le plan de Wadati slab) de matériel froid et suffisamment rigide pour se casser, provoquant des une unité beaucoup plus épaisse entre la plaque supérieure et la plaque plongeante, des hypocentres des séismes.Certa-
24xistence de triples plans de Wadati a distance entre les deux plans slabs). slabs slab slabs slabs
Fig.1.
Yamasaki et Seno (
25down down down. Ces zones de
Nouvelle
I.2. Les processus de nucléation des séismes en contexte de subduction.plage de profondeurs des hypocentres de ces événements. On considère trois catégories de séismes de
shallow earthquake) dont la profondeur indermediate ) dont les hypocentres sont situés entre 70 et 300 km de profondeur, et les séismes de deep earthquake) s km, au disparaître auLes séismes
la plaque plongeante et la plaque chevauchante. Ils sont également les plus fréquents ( aussi le long de failles inverses, dans la croûte océanique de la plaque plongeante ( 26Fig.1.
après déplacement saccadé est nommé s laquelle représe caractérisé par une rigidité notée k k). Soit, la diminution de la résistance est rapide et le ressort se décharge plus lentement k. La force appl k 27Fig.1.
k: élasticité et FAu déplacement en stickslip) le long de la
Ohnaka
la surface de glissement ( rate and state). Laquelle sera repri vitesse de la défor velocity diminue en même temps que la vitesse de déformation. De façon générale, les lois rBaumberger et al., 1999;
uges ou autres continue sans forcément impliquer des processus frictionnels entre aspérités ( 28En contexte de subduction et selon la lithologie, les conditions de pression et température peuvent
premier temps par la formation de fissures, puis par leur propagation. La déformation est donc
ede cette contrainte pendant le glissement de la faille. Ce comportement mécanique peut être modélisé
Fig.1. Scholz, 1988
L fait que le rapport entre la contrainte cisaillante maximale et laByerlee, 1968
standard conditions de pression et température modérées correspondant 29(protomylonite
La partie supérieure de la cro
déclencheur influant sur la contrainte dyn failles (rmise -s ctivée, mais aussi 30dehydration embrittlement
T s. Le troisième processus est
t, dans la littérature I.2.2.1. Les ruptures associées aux réactions de déshydratation (DehydrationLe processus de rupture sismique par dehydration embrittlement est basé sur la déshydratation de
ou la réactivation de fracturesLa formation de porosité
Le relâchemen
pression fluide. La m de fluides par la contrainte normale ( 31Fig.1.
2Hacker et al., 2003b
32slab tion de la croû essus de déshydratation principal qui affecte les minéraux hydratés. Se downdip tension ance variable, notamment du fait des nombreuses failles slab marquée que dans la cro dehydration embrittlement dans la
Peacock et al., 20
migration des fluides vers le manteau de la plaque chevauchante. B me de substitution 33ute océanique, mais également, réactions de déshydratation décrites au point (4) 34
et basse température de la serpentine, soit entre 600 et 650°C ( I.2.2.1.1. La déshydratation de la serpentinite. des pyroxènes à la dorsale, et via de grandes failles affectant la litho
2O, la serpentine correspond
Ulmer et Trommsdorff, 1995
tandis que la lizardite se forme à des conditions de pression et température moins élevées (
igorite et à la lizardite qui se rupture sismique. En contexte HPFig.1. 9A et B8GPa), soit une pression très
2O ou à f2
déshydrater en un assemb2O. Entre 2,2 et 6,3 GPa de pression, la f2O I1 I2 35Fig.1.
2001gorite.
I.2.2.1.2. La déshydratation de la chlorite.
La chlorite, de par ses nombreuses variétés est un minéral fréquent dans les slabs
2O ( négligeable. t déterminé condition 36Fig.1. ion. La bande violette correspond
à celle Brudzinski et al.,
I.2.2.1.3. La déshydratation de la lawsonite.
La lawsonite (CaAl2Si2O7(OH2)H2O) est un mislab
2O etFig.1. slabs slabs
Les analyses expérimentales sur la déformation de la lawsonit 37majeur considérées comme de potentielles zones de faiblesse o dehydration I.2.2.2. Les ruptures associées aux instabilités ductiles Le processus de rupture par instabilité thermique, appelé s thermal de cisaillement bien localisée, affaiblissant la roche et permettant la rupture ( W produisait de de ces paramètres font du self dehydration embrittlement. e shear heating) sur une zone très localisée (qur; -déformation montré -pour des conditions -- -s- self température en un point de rupture localisé pseudotachylite 38
outer rise earthquake), au niveau des failles steady state). En dessous de 600°C, I.2.3. Les processus de nucléation des séismes de grandes profondeurs. Les séismes de grandes profondeurs ont lieu au7
OkhotskW=8,3),
Ye et al.,
s ou le faible nombre de répliques. La magnitude de ces répliqu principale ( es de dehydration embrittlement 39I.2.3.1. Les ruptures associées aux substitutions minéralogiques (t
Į ȕ-Ȗ(Fig.
rait pu le laisser penser un grande profondeur. transformational faulting, anticrack faulting une z les plus appropriées au développemeĮ ȕGreen et Hou
enstatite AE aFletcher et Pollard, 1981
ieur et perpendiculairement à la contrainte compressive maximum ı1ı1 et
40étend parallèlement à ı3
ȕ Ȗ) e
ı1). De façon similaire aux fractures ı1
1311) (Fig.
Fig.1. anticracksFrohlich, 2006
ı3.
ȕ, etc) et se développe perpendiculairement àı1.
s transformational . La réaction enstatite AE du fait de la plus grande plage de métasta environ 700 km. AuȖ AE
AE ĮAE
AE t 41transformational faulting dehydration embrittlement. Dans les deux cas, que cela ant ı1 I.2.3.2. Les ruptures associées aux réactions de déshydratation (d Le processus de dehydration embrittlement, dépend largement de la
Houston, 2015
magnésium Dense Hydrous Magnesium Silicate 2O10, formés uniquem
indique une composante de surface dans les fluides présents à grande profondeur, là séismes de grande profondeur est encore largement discuté (I.2.3.3. Ruptures asSelf
Le processus de rupture par instabilité thermique décrit au paragraphe self ) peut se produire également en profondeur, entre 350 et 650 km ( 42cette tranche comprise entre 250 et 500 km q thermiques sont considéré seul et doit être associé au champ de contrainte.