Analyse de la fusion partielle dans le panache mantellique de la Réunion

Analysing partial melting in the Réunion mantle plume

• Auteur / Autrice : Thijs Franken
• Direction : Alexandre Fournier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 17/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Édouard Kaminski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fanny Garel, Nobuaki Fuji, John Joseph Armitage, Chloé Michaut
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Saskia Goes, Lapo Boschi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géodynamique

Ondes sismiques

Ondes sismiques -- Amortissement

Terre -- Manteau supérieur

La Réunion (France ; île)

Sismologie

Mots clés libres

La Réunion

Fusion partielle

Zones de faible vitesse d’ondes

Propagation des ondes sismiques synthétiques

Réunion

Partial melting

Low velocity zone

Synthetic waveform propagation

Résumé

La fusion partielle dans la partie supérieure du manteau est fréquente dans les zones de remontée d’eau du manteau, comme les rifts, les dorsales médio-océaniques et les points chauds. Des zones de faible vitesse d’ondes de cisaillement dans le manteau peu profond (∼ 80 km) sont souvent associées à ces endroits, révélant des anomalies de vitesse de 4 à 5 % généralement attribuées à la présence de matériau fondu. Cependant, les études sur la quantité de matière fondue responsable de la réduction de la vitesse conduisent, suivant leur nature, à des conclusions différentes: les résultats expérimentaux de la pétrologie, des observations géochimiques et des modèles géodynamiques suggèrent une rétention de la matière fondue inférieure à 1 %, alors que les interprétations sismiques exigent une rétention supérieure à 1%. Dans cette thèse, j’essaie de résoudre le désaccord sur la rétention de la masse fondue dans l’asthénosphère en croisant des modèles de production de matériau en fusion et de propagation des ondes sismiques pour relier directement les conditions géodynamiques de la fusion partielle aux observations sismiques du panache mantellique de la Réunion. J’ai mis au point un modèle 1D de production de fusion qui évalue la rétention de la matière fondue selon le coefficient de perméabilité, la températures initiale du manteau et la vitesses de remontée d’eau selon un problème de Stokes modifié supposant un écoulement poreux. 210 scénarios de modèles de fusion sont convertis en vitesses d’ondes P et S sismiques anharmoniques à l’aide d’une base de données de paramètres minéraux, qui sont ensuite incorporés dans le modèle de référence de la terre ak135 pour générer des sismogrammes synthétiques des scénarios de fusion pour 21 tremblements de Terre. J’analyse l’effet du matériau fondu sur les composantes radiale, transversale et verticale de l’onde pour les arrivées de phase P, S, Pdiff et SKS. Grâce à une procédure automatisée de corrélation croisée, je calcule les différences relatives de temps de parcours entre les sismogrammes observés et les 210 traces synthétiques, pour chacun des 21 événements, 4 arrivées de phase, 3 composantes d’onde et 4 fréquences différentes de filtrage. J’analyse 70 896 points de données de temps de parcours relatifs pour trouver une solution optimale rendant compte des temps de parcours relatifs entre les traces du modèle et les observations sismiques, afin de découvrir quel scénario de fusion décrit le manteau supérieur sous la Réunion. La solution au scénario du modèle le mieux adapté n’est pas unique, puisque plusieurs combinaisons du coefficient de perméabilité, de température et de vitesse de remontée peuvent donner la même solution. En analysant séparément la distribution des paramètres du modèle sur la solution de temps de parcours relatif minimisé des 70 896 points de données pour les différentes arrivées de phase et composantes des ondes, on peut identifier deux régimes probables des conditions du manteau supérieur pouvant rendre compte des observations sismiques. Les conditions de manteau sous la Réunion se situent soit dans la plage de température de 1300 à 1350°C avec des fractions en fusion de ∼ 1 %, soit dans la plage de température de 1400 à 1450 °C avec des fractions en fusion inférieures à 0,3 %. Les contraintes des études sur la température du manteau supérieur, la perméabilité et les vitesses de transport du matériau fondu correspondent à ce dernier cas, ce qui souligne qu’une faible rétention de matériau fondu dans le manteau peu profond sous la Réunion satisfait simultanément les observations sismiques et les conditions géodynamiques prévues.

Partial melting in the upper mantle is prevalent in areas of mantle upwelling such as rifts, mid-ocean ridges and hotspots. The presence of low shear-wave velocity zones in the shallow mantle (∼ 80km) are often associated with these locations, revealing velocity anomalies of −4 to −5% which are generally attributed to the presence of melt. However, studies on the quantity of melt responsible for the velocity reduction are divided, where experimental results from petrology, geochemical observations and geodynamical models suggest melt retention of < 1%, whereas seismic interpretations call for 1 > %. In this thesis I attempt to resolve the disagreement on melt retention in the asthenosphere by combining forward modelling of melt production and seismic wave propagation to relate geodynamic condition of partial melting directly to seismic observations of the Réunion mantle plume. I developed a 1D model of melt production that approximates melt retention for a range of permeability coefficients, initial mantle temperatures and upwelling velocities through a set of modified Stokes equations assuming porous flow. 210 melting model scenarios are converted to anharmonic seismic P- and S-wave velocities using a mineral parameter database, which are embedded into the ak135 earth reference model to generate synthetic seismograms of the melting scenarios for 21 source events using the Direct Solution Method for a laterally homogeneous and spherically symmetrical Earth. I explore the effect of melt presence on the radial, transverse and vertical wave component for the P, S, Pdiff and SKS phase arrivals, band-pass filtered to upper corner frequencies of 0.05, 0.1, 0.15 and 0.2 Hz. Through an automated cross-correlation procedure I compute relative traveltime differences between the observed seismograms and the 210 synthetic model traces for each iteration of the 21 source events, 4 phase arrivals, 3 wave components, and 4 band-pass filter frequencies. I analyse 70,896 relative traveltime datapoints to reach a solution for the minimised relative traveltimes between the model traces and the seismic observations, in order to discover which melting model scenario describes the upper mantle beneath Réunion. The solution to the best-fit model scenario is non-unique, since several combinations of the permeability coefficient, temperature and upwelling velocity give the same solution. By seperately analysing the parameter distribution of the free model parameters over the minimised relative traveltime solution of the 70,896 datapoints for the different phase arrivals and wave components, two likely regimes of upper mantle conditions can be constrained that can resolve the seismic observations. These regimes indicate that mantle conditions beneath Réunion are either in the 1300−1350 °C temperature range with melt fractions of ∼ 1%, or in the 1400−1450 °C temperature range with melt fractions of < 0.3%. Constraints from studies on upper mantle temperature, permeability and melt transportation velocities correspond to the latter case, showing that low retention of melt in the shallow mantle beneath Réunion simultaneously satisfy seismic observations and the expected geodynamic conditions.