Étude pétrophysique et hydrogéologique des sédiments entrant dans les zones de subduction

Petrophysical and hydrogeological study of sediment inputs to subduction zones

• Auteur / Autrice : Jade Dutilleul
• Direction : Yves Géraud, Sylvain Bourlange
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Soutenance le 08/07/2021
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale SIReNa - Science et ingénierie des ressources naturelles (Lorraine ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GéoRessources (Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Pierre Henry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Géraud, Sylvain Bourlange, Mai-Linh Doan, Lisa Mcneill, Christopher Wibberley
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pierre Henry, Mai-Linh Doan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Géophysique

Séismes

Sédiments (géologie) -- Analyse

Structures sédimentaires

Subduction

Mots clés libres

Subduction

Fluide

Sédiment

Argile

Porosité

Perméabilité

Décollement

IODP

Capacité d’échange cationique

Subduction

Fluid

Sediment

Clay

Porosity

Permeability

Decollement

IODP

Cation exchange capacity

Résumé

Cette étude explore l’influence sur le type de sismicité exprimé par le méga-chevauchement des propriétés lithologiques, pétrophysiques et hydrogéologiques des sédiments entrant dans les systèmes de subduction, et de l’évolution de ces propriétés, à partir d’échantillons et de diagraphies issus d’expéditions du Programme International de Découverte des Océans (IODP) dans 1) la marge nord d’Hikurangi caractérisée par une sismicité modérée, des séismes lents et des tsunami earthquakes, 2) la marge de Nankai où ont été documentés des méga-séismes tsunamigènes, des séismes lents et des tsunami earthquakes et 3) la marge nord de Sumatra surépaissie, où des méga-séismes tsunamigènes ont principalement été enregistrés. Dans la marge nord de Sumatra, un intervalle riche en smectites est interprété comme la zone de formation du futur décollement. Celui-ci coïncide au voisinage de la fosse avec un réflecteur sismique de forte amplitude et de polarité négative induites par les fluides produits par la déshydratation pré-subduction de la partie inférieure de l’épaisse séquence sédimentaire entrante. La mégaséisme tsunamigène de 2004 aurait été favorisé par la lithification avancée des sédiments entrants ainsi que par le drainage des fluides du décollement par des failles du prisme externe. A contrario, dans la marge nord d’Hikurangi, le décollement se formerait dans des carbonates pélagiques ou des faciès volcanoclastiques altérés riches en fluides. Les contrastes de composition et de propriétés hydrogéologiques et pétrophysiques de la séquence sédimentaire entrante impliquent une distribution hétérogène des fluides le long de l’interface de subduction, avec des pressions de fluide potentiellement exacerbées au voisinage d’un mont sous-marin subduit sous la partie externe de la marge, zone source de séismes lents. Combinées, ces hétérogénéités seraient à l’origine de propriétés de friction hétérogènes favorables à la formation de séismes lents et de tsunami earthquakes. Les séismes lents sont supposés 1) se propager jusqu’à la fosse le long de l’interface de subduction ou de failles satellitaires et 2) libérer régulièrement une partie de la déformation accumulée par le méga-chevauchement, ce qui expliquerait la sismicité modérée de la région. L’intégration de ces résultats dans des modèles de production de fluide ou de couplage mécanique et sismique est une étape essentielle à l’amélioration de la gestion du risque sismique et de tsunami en contexte de subduction.

This study explores how earthquake and tsunami risks are controlled by compositional, petrophysical and hydrogeological properties of sediment inputs to subduction zones and how these properties evolve based on samples and logging data from recent expeditions of the International Ocean Discovery Program (IODP) at: 1) north Hikurangi margin hosting moderate seismicity, shallow slow earthquakes and tsunami earthquakes, 2) the Nankai margin where megathrust tsunamigenic earthquakes, slow earthquakes and tsunami earthquakes have been documented, and the 3) north Sumatra margin, characterized by an extremely thick input sedimentary section, where megathrust tsunamigenic earthquakes have been mostly recorded so far. At north Sumatra, we evidence that a clay-rich zone showing high smectite-bound water content will form a weak decollement corresponding to a high-amplitude negative polarity seismic reflection seaward of the trench that traps fluids produced by pre-subduction dehydration of the bottom of the thick input section. The strengthened thick input section and splay faults draining fluids from the decollement beneath the prism both promote shallow co-seismic slip propagation, thus mega-earthquake and catastrophic tsunami. In contrast, at north Hikurangi, the decollement may form in fluid-rich pelagic carbonates or altered volcaniclastics above a rough altered oceanic crust. There, the heterogeneous compositional, hydrogeological and petrophysical properties of the input section trigger contrasted fluid distribution and potential for excess pore pressure generation along the plate boundary that might be exacerbated in the vicinity of a SSE source zone landward of a seamount subducted beneath the outer wedge. The combination of these heterogeneities likely induces heterogeneous frictional properties at the plate boundary fault favorable to the occurrence of shallow slow and tsunami earthquakes. Slow slip is suspected to 1) propagate all the way the trench along the plate boundary fault or alternatively along splay faults and 2) to cyclically release part of the strain accumulated at the plate boundary resulting in moderate seismicity in the region. This study also provides 1) essential quantitative inputs for advanced fluid-budget and seismo-mechanical modeling that are essential steps toward earthquake and tsunami hazard assessment and 2) methodological improvements including a workflow for porosity and compaction state characterization in clay-rich sediments