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Posté par Adrien le Jeudi 08/06/2017 à 00:00
Des tremblements de terre déclenchés par la déshydratation du manteau lithosphérique
Les séismes intermédiaires, qui ont lieu entre 30 et 300 km de profondeur, ont été largement documentés dans les plaques océaniques en subduction. Mis en évidence il y a près de 100 ans par Kiyoo Wadati, poète, météorologue et géologue japonais, leur mécanisme reste pourtant énigmatique. Une équipe de scientifiques du Laboratoire de Géologie (La géologie, du grec ancien γη- (gê-, « terre ») et λογος (logos, « parole »,...) de l'Ecole Normale Supérieure (ENS Paris/CNRS), de l'Unité des Matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et Transformations, UMET (Université de Lille - Sciences et Technologies/ENSC Lille/CNRS/INRA), de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est...) des Sciences de la Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par...) de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de...), ISTEP (CNRS/Université Pierre et Marie Curie) et de diverses institutions internationales s'est penchée sur le sujet. Le résultat de ces recherches, publiées dans Nature Communications en Mai 2017, démontre que la déshydratation (La déshydratation est la perte ou l'élimination de l'eau d'un corps. Cette dernière peut être partielle ou totale. Toutefois le terme de dessiccation...) du manteau lithosphérique peut provoquer des tremblements de terre.

Les séismes intermédiaires se produisent dans les plans de Wadati-Bénioff supérieur et inférieur. Le plan supérieur est situé à proximité de l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour...) de subduction (La subduction est le processus d'enfoncement d'une plaque tectonique sous une autre plaque de densité plus faible, en général une plaque océanique sous une plaque continentale ou sous une plaque océanique plus...), où le frottement (Les frottements sont des interactions qui s'opposent à la persistance d'un mouvement relatif entre deux systèmes en contact.) de la plaque plongeante par rapport à la plaque chevauchante induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité (générateur) ou en force (moteur).) une intense déformation. Le plan inférieur, découvert dans les années 70, se localise dans le manteau lithosphérique plongeant, 15 à 40 km sous l'interface de subduction.

Le manteau supérieur est quasi-exclusivement constitué de péridotite, roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du sous-sol est formé par un assemblage de minéraux, comportant parfois...) principalement composée d'olivine, minéral majoritairement fait d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.), de magnésium et de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.). Certains minéraux sont hydroxylés, c'est-à-dire qu'ils comportent de l'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) dans leur structure cristalline. Quand le manteau est hydraté, les minéraux qui se forment sont les serpentines. En contexte (Le contexte d'un évènement inclut les circonstances et conditions qui l'entourent; le contexte d'un mot, d'une phrase ou d'un texte inclut les mots qui l'entourent....) de subduction, à des températures dépassant 400°C, la seule serpentine stable est l'antigorite.


Représentation schématique d'une zone de subduction (droite) et d'un système décrochant (gauche), où se déclenchent régulièrement des tremblements de terre dans le manteau. La ligne verte dans le manteau lithosphérique plongeant, parallèle à l'interface de subduction, indique sa limite d'hydratation avant son entrée en subduction. Les tremblements de terre (étoiles rouges) se produisent bien entre les isothermes 600 et 800°C, mais il semble qu'ils soient surtout localisés au voisinage (La notion de voisinage correspond à une approche axiomatique équivalente à celle de la topologie. La topologie traite plus naturellement les notions globales comme la continuité qui s'entend ici comme la continuité en tout point. En...) de cette limite d'hydratation. / Crédits: T.Ferrand

La sismicité du plan de Wadati-Bénioff inférieur est bien corrélée à la déshydratation de l'antigorite, aux alentours de 600 °C, mais le lien de causalité restait à découvrir. Afin de comprendre par quel mécanisme ces séismes sont déclenchés, des expériences ont été menées en laboratoire. Des péridotites artificielles ont été déshydratées pendant leur déformation dans des conditions typiques du manteau supérieur, à des pressions de 1,1 et 3,5 GPa, ce qui correspond à des profondeurs avoisinant 40 et 130 km. Ces expériences ont été réalisées dans une presse triaxiale D-DIA, sous rayonnement synchrotron (Synchrotrons, synchro-cyclotrons et cyclotrons réfèrent à différents types d'accélérateurs circulaires.). L'évolution de la contrainte est suivie grâce à l'étude de la diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de l'objet. La diffraction se...) des rayons X. Parallèlement, les émissions acoustiques sont enregistrées. Ces dernières constituent la preuve de ruptures (Ruptures est le second album de la série de science-fiction Orbital constituée de diptyques, dessiné par Serge Pellé et écrit par Sylvain Runberg, sorti en juin 2007 par les éditions Dupuis.) dynamiques, c'est-à-dire de séismes, dans l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) pendant sa déformation et/ou déshydratation.

De petits séismes sont ainsi déclenchés dans des échantillons comportant 5 % d'antigorite. Les ondes (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) enregistrées sont émises lors de ruptures sismiques au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale supérieure du torse d'un animal, et en particulier celle des mammifères qui...) du squelette (Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles. Il est à la base de l'evolution des vertébrés. Celui ci leur a fourni un avantage sélectif conséquent suite au besoin d'un...) d'olivine de l'échantillon déformé. Les microfailles associées sont scellées par des pseudotachylites, c'est-à-dire par de la roche fondue et solidifiée au moment du glissement sur la faille. Ces pseudotachylites contiennent des bulles d'eau, également présente dans les réseaux d'antigorite déshydratée.

Cette étude démontre qu'un transfert de contrainte induit par déshydratation déclenche la fragilisation des roches du manteau. Ainsi, elle réconcilie des décennies d'études semblant contradictoires sur le lien entre séismes mantelliques et déshydratation de l'antigorite. À une certaine échelle, une fraction d'antigorite de seulement 5 % suffit à déclencher une sismicité, qui pourrait finalement être vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) comme un indicateur du degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) d'hydratation dans le manteau lithosphérique.


Diagramme de phase montrant le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de stabilité de l'antigorite, la sismicité naturelle et l'activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) acoustique (L’acoustique est une branche de la physique dont l’objet est l’étude des sons et des ondes mécaniques. Elle fait appel aux phénomènes ondulatoires et à la mécanique...) enregistrée au laboratoire. Les chemins P-T expérimentaux sont indiqués par les flèches grises et l'activité acoustique par des cercles plus ou moins larges en fonction du nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'événements enregistrés. Les conditions P-T de la séismicité naturelle dans des plans de Wadati-Bénioff inférieurs sont indiquées par les points en transparence (Un matériau ou un objet est qualifié de transparent lorsqu'il se laisse traverser par la lumière. Cette notion dépend de la longueur d'onde de la lumière : ainsi, le verre est transparent dans le visible (on voit à travers), mais il...) (une couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) par région indiquée en haut à droite). CHZ/HSZ: géothermes des zones de subductions Froide/Chaude (Cold/Hot). Fo = forsterite ; Atg: antigorite ; En: enstatite ; 'tl': phases 'talc-like'. P.2005 (Perrillat et al., 2005): "talc-like" in (reaction 1) ; W&S.1997 (Wunder & Schreyer, 1997): enstatite in. Les segments noirs indiquent l'initiation et la fin des réactions observées expérimentalement ; "Atg -" indique la déstabilisation rapide de l'antigorite correspondant au début de la réaction 2.Réaction 1: antigorite = forsterite (olivine) + phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) hydratée 'talc-like' + H2ORéaction 2: forsterite + 'talc-like' = enstatite (pyroxene) + forsterite + H2O/Crédits: T.Ferrand

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Source: CNRS-INSU