Le rôle des hétérogénéités et des fluides en subduction sur la déformation et la sismogenèse de la marge nord des Petites Antilles

The role of subducting heterogeneities and fluids on the Northern Lesser Antilles margin deformation and seismogenesis

• Auteur / Autrice : Kingsley Chimaobi Ezenwaka
• Direction : Boris Marcaillou, Mireille Laigle-Marchand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la planète et de l'univers
• Date : Soutenance le 12/07/2023
• Etablissement(s) : Université Côte d'Azur
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences fondamentales et appliquées (Nice ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géoazur (Sophia Antipolis, Alpes-Maritimes)
• Jury : Président / Présidente : Sylvie Leroy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Boris Marcaillou, Mireille Laigle-Marchand, Sylvie Leroy, Marc-André Gutscher, Mélody Philippon, Matthias Delescluse
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marc-André Gutscher, Mélody Philippon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tectonique

Petites Antilles

Subduction

Mots clés libres

Tectonique

Sismogenèse

Petites Antilles

Zone de subduction

Modélisation thermique

Flux de chaleur

Tectonics

Seismogenesis

Lesser Antilles

Subduction zone

Thermal modelling

Heat-flow

Résumé

Les Petites Antilles sont une zone de subduction particulière considérée comme étant très hydratée. Cette thèse se concentre sur l'étude de l'impact des hétérogénéités structurales en subduction et de la circulation des fluides associés sur la déformation tectonique de la marge et l'activité sismique. Pour ce faire, des données sismiques multitraces à haute résolution, bathymétriques, de flux de chaleur et de sismicité acquises au cours des campagnes Manta-Ray, Antithesis et Sismantilles ont été utilisées. Les données de flux thermique révèlent l'advection de chaleur par des fluides liés à une circulation ventilée et isolée dans le nord et le centre des Petites Antilles respectivement, et mettent en évidence le contrôle thermique de la localisation de la sismicité. Ainsi, au large de Saint-Martin, les valeurs négatives du flux de chaleur dans la fosse et positives dans l'avant-arc, comparées aux valeurs conductrices globales, mettent en évidence la percolation descendante de fluides froids dans la fosse et la migration ascendante de fluides chauds dans l'avant-arc. À l'inverse, au large de la Martinique, un flux thermique positif dans la fosse révèle une migration ascendante de fluides chauds le long de l'interplaque jusqu'à la fosse. Les données de sismicité offshore montrent que la distribution des séismes est corrélée aux réactions de déshydratation de la lithosphère plongeante. Ainsi, la présence de fluides pourrait expliquer le faible couplage interplaque et la rareté des grandes ruptures cosismiques, favorisant des comportements de glissement lents à asismiques et augmentant le temps de retour des grands événements sismiques dans cette marge.Les données sismiques et bathymétriques ont mis en évidence dans le nord des Petites Antilles un segment de croûte océanique, appelé ''Jacksonville Patch'', qui est en partie constitué de roches mantelliques exhumées et hydratées, formées le long de grandes failles de détachement. Ces failles pourraient avoir été réactivées lors de la flexure avant-fosse de la plaque plongeante, facilitant la percolation des fluides froids en profondeur et un nouvel épisode de serpentinisation. La subduction de ce socle faillé, hydraté et serpentinisé génère probablement une variation des propriétés mécaniques interplaques, expliquant la faible sismicité du méga-chevauchement.Au nord de la ride de Barracuda, cette étude révèle par ailleurs une marge globalement érosive, avec des phases d'accrétion mineures qui diminuent vers le nord. L'érosion frontale est documentée par une diminution de la largeur du prisme vers le nord, probablement liée à la subduction des rides topographiques et un socle océanique rugueux dans une fosse dépourvue de sédiments. Au niveau de l'avant-arc, la distribution de failles normales subparallèles à la ride de Barracuda est cohérente avec l'âge Quaternaire de formation de ce relief sous le domaine avant-arc. Les failles imagées sont par ailleurs associées à des hauts de socle et sont profondément enracinées, potentiellement sur l'interplaque, formant des voies possibles de migration ascendante des fluides. Les anomalies de flux de chaleur, les polarité inverse des réflecteurs, les figures de cheminées de fluides sur les profils, associés aux pockmarks et à des volcans de boue sur le plancher océanique, soulignent la circulation de fluides potentiellement liés à la zone de fracture 15-20 en subduction. Cette étude documente également une subsidence généralisée de la marge et un amincissement du socle et largement supérieure au déplacement le long des failles profondes. Ainsi, l'érosion tectonique basale long-terme de cette marge profondément fracturée semble dominée par la circulation de fluides libérés en profondeur par les portions de lithosphère océanique constituées de manteau exhumé et par les zones de fracture, et aurait été récemment amplifiée par la déformation récente induite pas la ride de Barracuda formée depuis 2,3 millions d'années.

At subduction zones, the nature of the subducting plate, fluid circulation, and temperature contribute significantly to the tectonic pattern and seismogenic potential. The Lesser Antilles is an end-member subduction zone, which undergoes the subduction of trans-oceanic fracture zones (FZ) bounded by topographic ridges, and large-scale patches of tectonically dominated oceanic crust that is prone to produce high water budget. This thesis focuses on investigating the impact of subducting heterogeneities and related fluid circulation on the margin tectonic deformation and seismic activity. For this purpose, newly and previously acquired multichannel (MCS) and high-resolution seismic, bathymetric, heat-flow, and seismicity data during the Manta-Ray, Antithesis, and Sismantilles campaigns were employed. The heat-flow data reveal heat advection by fluids related to a ventilated and an insulated circulation in the northern and central Lesser Antilles respectively, and further highlight the thermal control of seismicity location. Along Saint Martin, negative heat-flow values in the trench and positive in the forearc compared to global conductive values highlight downward percolation of cold fluids in the trench and upward migration of warm fluids at the forearc. Contrastingly, along Martinique, positive heat-flow in the trench reveals warm fluid updip migration along the plate interface from subduction depths up to the trench. There, the offshore seismicity data shows that the locations of the interplate, intraslab, and supraslab earthquakes have a close relationship with temperature dehydration reactions. Thus, the presence of fluids likely explains the low interplate coupling and the scarce large co-seismic ruptures, favouring aseismic slip behaviours, and increasing time return of large seismic events in this margin.In addition, the MCS and bathymetric data in the northern Lesser Antilles imaged an oceanic tectonic fabric named the Jacksonville Patch, which is partly made of exhumed and hydrated mantle rocks, formed along pervasive detachment faults. During plate bending, the faults could be reactivated and allow deep fluid circulation and further serpentinization. The subduction of this faulted, hydrated and serpentinized basement likely generates interplate patchiness of contrasting frictional properties, which contributes to the megathrust weakness and low interplate seismicity.North of the Barracuda ridge, this study further reveals a globally erosive margin, with minor accretion phases that decrease northwards. Evidence of frontal erosion is recorded by a northward decrease in the width of the prism favoured by the subduction of topographic ridges and a rough oceanic basement within a sediment-starved trench. At the forearc, normal faults subparallel to the southward sweeping Barracuda ridge, a Quaternary oceanic basement high, highlight its possible earliest onset beneath the forearc, at the eastern flank of the Antigua Valley. Some of the imaged faults are associated with basement highs and are deeply rooted, potentially down to the interplate, forming pathways for fluid upward migrations. Reverse polarity reflectors and fluid pipes, both collocated with pockmarks and mud-volcanoes on the seafloor, and with the 15-20 FZ at depth, highlight the potential of fluid flow occurrence at this margin forearc, in agreement with heat-flow observations. This study also documents widespread margin subsidence and basement thinning consistent with previous estimates north of the study area, which cannot be accounted for by the displacement along the deep-rooted faults. Thus, long-term basal tectonic erosion of this deeply fractured margin has been dominated by circulating fluids from subducted exhumed mantle patches and FZs as the Fifteen-twenty, and has been recently increased by the uplift and southward sweeping of the ~ 2.3 Ma old Barracuda Ridge.