L'impact de l'apport magmatique sur la distribution des failles, du volcanisme et sur le régime thermique des dorsales lentes

The impact of melt supply on fault distribution, volcanism, and the thermal regime at slow spreading ridges

• Auteur / Autrice : Jie Chen
• Direction : Mathilde Cannat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 08/12/2021
• 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 : Satish C. Singh
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Satish C. Singh, W. Roger Buck, Lydéric France, Javier Escartín, Mireille Laigle-Marchand, Suzanne M. Carbotte
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : W. Roger Buck, Lydéric France

Mots clés

Mots clés contrôlés

Microséismes

Bathymétrie

Dorsales océaniques -- Indien, Océan

Mots clés libres

Apport magmatique

Dorsale ultra-Lente sud-Ouest Indienne

Bathymétrie haute résolution

Microsismicité

Modélisation numérique

Dorsales lentes

Melt supply

Ultraslow spreading Southwest Indian Ridge

High-Resolution bathymetry

Microseismicity

Numerical modelling

Slow spreading ridges

Résumé

Il a été démontré que l'apport de magma au niveau des dorsales lentes varie d'un volume suffisant pour produire une croûte entièrement volcanique, à presque amagmatique, conduisant à l'exposition généralisée de roches mantellique sur les fonds océaniques. Pour mieux comprendre le rôle de l'apport magmatique, j'étudie deux régions de la dorsale sud-ouest Indienne (SWIR) qui sont des cas extrêmes en termes d'apport magmatique : une section située à 50°28'E qui présente une croûte magmatique de 9.5 km d'épaisseur et une anomalie sismique à basse vitesse dans la croûte inférieure (Partie 1), et un couloir quasi-amagmatique à 64°30'E (Partie 2) avec des failles de détachement successives à vergence opposée qui accommodent presque toute la divergence des plaques et exhument des roches mantelliques en surface. J'utilise enfin la modélisation numérique 2D pour relier le régime thermique déduit de ces deux cas extrêmes en apport magmatique à la fréquence et à la profondeur des injections de magma (Partie-3). Dans la partie 1, j'utilise des données de bathymétrie et de réflectivité obtenues par AUV (Autonomous Underwater Vehicle) à une résolution de 2 m pour cartographier les morphologies du fond marin et la distribution des failles. J'utilise également des photographies du fond marin pour cartographier les morphologies de lave au niveau de la SWIR à 50°28'E au cours des derniers 780 milliers d'années. Les résultats de cette approche mettent en évidence des taux d'éruption élevés et une faible contrainte tectonique, proches de ce qui a été observé sur les dorsales intermédiaires et rapides. La cartographie montre que les modes d'accrétion de la croûte supérieure ont varié dans l'espace et dans le temps, probablement en réponse aux variations d'intensité de l'apport magmatique. En particulier, nous proposons que la croûte supérieure de cette section de dorsale lente magmatiquement robuste ait été construite par une alternance de phases croissantes et décroissantes en apport magmatique, sur des cycles d'environ 300 milliers d'années. Dans la partie 2, je localise des microséismes sur la plus jeune faille de détachement active sur le corridor presque amagmatique de la SWIR à 64°30'E, qui ont été enregistrés dans cette zone lors de deux courts déploiements de sismomètres. Les résultats suggèrent une lithosphère sismogène d'environ 15 km d'épaisseur. La distribution sismique met en évidence l'activité tectonique de la faille de détachement à pendage sud et de ses petites failles conjuguées à pendage nord dans le toit de la faille. Je documente également un essaim sismique de deux jours, interprété comme étant dû à une migration ponctuelle de magma dans le mur du détachement, déclenchant une séquence de tremblements de terre moins profonds le long du plan de la faille de détachement. Dans la partie 3, j'utilise la modélisation numérique pour explorer la relation entre le régime thermique axial et les paramètres associés au flux de magma (le volume et la fréquence des injections de magma) et avec la profondeur de mise en place du magma. J'ai réussi à prédire les régimes thermiques au niveau de mes deux zones d'études, et j'extrapole ces résultats à la variabilité du régime thermique au niveau des dorsales lentes.

Melt supply at slow spreading ridges has been shown to vary from enough to produce a fully volcanic seafloor, to nearly amagmatic, leading to the widespread exposure of mantle-derived rocks on the seafloor. To better understand the role of melt supply, I study two regions of the ultraslow spreading Southwest Indian Ridge (SWIR) that are endmembers in terms of melt supply: the magmatically-robust SWIR 50°28'E (Part-1 of the thesis) with a 9.5 km-thick crust and a seismic low-velocity anomaly in the lower crust, and a nearly amagmatic corridor at the SWIR 64°30'E (Part-2) with successive flip-flop detachment faults that accommodate almost 100% of plate divergence and continuously exhume mantle-derived rocks. I finally use 2D numerical modelling to relate the thermal regime inferred from these two endmembers to the frequency and depth of melt injections (Part-3). In Part-1, I use AUV-based, 2-m resolution bathymetry and backscatter data to map seafloor morphologies and fault distributions and use seafloor photographs to map lava morphologies at the SWIR 50°28'E over the past 780 kyr. The results show evidence of high eruption rates and low tectonic strain, close to what has been observed at intermediate- and fast-spreading ridges. Mapping shows that the modes of upper-crustal construction have varied both in space and time, likely in response to changes in melt supply. Particularly, we propose that the upper crust at this magmatically-robust ridge section was constructed with alternating waxing and waning phases of melt supply over cycles of ~300 kyr. In Part-2, I locate microearthquakes over the youngest, active detachment fault at the nearly-amagmatic SWIR 64°30'E, as recorded during two short ocean bottom seismometer deployments. The results suggest a ~15 km-thick seismogenic lithosphere. The earthquake distribution highlights the tectonic activity of the south-dipping detachment fault and of itsconjugate, small, north-dipping faults in the hanging wall. I also document a two-day seismic swarm interpreted as due to an upward-migrating magmatic event in the footwall, triggering a sequence of shallower earthquakes on the detachment fault plane. In Part-3, I use numerical modelling to explore the relation between the axial thermal regime and parameters associated with melt flux (the volume and frequency of melt injections) and with the depth of melt emplacement. I successfully predict the thermal regimes at two ultraslow-spreading endmember areas, and I extend these results to the variability of the thermal regime at slow spreading ridges.