Signature géophysique du panneau plongeant alpin : analogues de terrain et modèles directs

Geophysical signature of the alpine slab : field analogues and direct models

• Auteur / Autrice : Manon Sonnet
• Direction : Loïc Labrousse, Jérôme Bascou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géologie
• Date : Soutenance le 05/12/2023
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Géosciences, ressources naturelles et environnement (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la Terre de Paris (2009-....)
• Jury : Président / Présidente : Claudio Rosenberg
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Fortin, Alexandrine Gesret
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphanie Gautier, Philippe Goncalves

Mots clés

Mots clés contrôlés

Subduction

Ondes sismiques

Anisotropie

Alpes

Croûte continentale

Géophysique

Mots clés libres

Croûte inférieure alpine

Anisotropie

Vitesse sismique

Pétrophysique

Réaction métamorphique

Subduction

Lower alpine crust

Anisotropy

Seismic velocity

Petrophysics

Metamorphic reaction

Subduction

Résumé

Des images géophysiques récentes dans les Alpes montrent une signature sismique particulière du sommet du panneau plongeant crustal à 40 km de profondeur. Une augmentation de vitesse brutale des ondes S est corrélée à une forte probabilité de présence de contraste d’interface dans la tomographie et à une conversion négative dans les données « stackée » des fonctions-récepteur. Le but de cette thèse est d’évaluer si des changements de minéralogie et de texture de la croûte continentale inférieure peuvent expliquer cette signature sismique. Pour cela, nous avons calculé les variations de vitesses sismiques « bulk », générées par les changements minéralogiques durant l’enfouissement de roches représentatives de la croûte inférieure européenne le long de profils pression-température typiques de zone de convergence. Nous avons étudié l’évolution de l’anisotropie des mêmes roches à l’échelle macroscopique en fonction de la pression et la température, à partir de mesures directes. Ces mesures ont été comparées aux calculs d’anisotropie couramment effectués à partir de cartographies d’orientations cristallographiques à l’échelle de la lame mince. Le but ultime de ces exercices est de comprendre quelles propriétés contrôlent les vitesses sismiques effectives des roches à l’échelle kilométrique. Nous avons finalement tenté de déceler, à cette dernière échelle, l’anisotropie des roches dans les données de fonctions-récepteur à partir de leur décomposition harmonique. Nous montrons que la transformation des roches du faciès des amphibolites à celui des granulites de haute pression permet d’expliquer l’augmentation de vitesse du modèle tomographique et que ce front est décalé d’une dizaine de kilomètre le long du panneau plongeant en comparaison des prédictions thermodynamiques. A travers une modélisation thermocinétique de zone de convergence, nous évaluons le profil thermique du panneau plongeant lors du passage de la subduction à la collision et expliquons ce décalage par des effets cinétiques. Les mesures directes comparées aux calculs d’anisotropie indiquent que la différence attendue entre anisotropie intrinsèque et effective est plus importante dans les roches du faciès des amphibolites, où litage et CPO se renforcent, que dans celles du faciès des granulites où l’anisotropie résulte surtout de l’anisotropie intrinsèque. A l’échelle kilométrique, la transformation amphibolite vers granulite est susceptible de s’accompagner d’une diminution de l’anisotropie, en plus d’une augmentation de vitesse. A travers la décomposition harmonique, nous montrons que la baisse de visibilité du réflecteur associé au Moho, aux stations à l’aplomb du panneau plongeant, se fait au profit de la mise en évidence d’une direction rapide intra- panneau plongeant et orientée perpendiculairement à son pendage. Puisque cette transformation est visible tant dans les données de fonctions- récepteur que dans les modèles de tomographie, nous en déduisons que l’épaisseur du front de réaction est de l’ordre du kilomètre.

Recent geophysical images in the Alps show a distinctive seismic signature of the top of the crustal dipping panel at 40 km depth. A sharp increase in S-wave velocity is correlated with a high probability of interface contrast in tomography and negative conversion in stacked receiver- function data. The aim of this thesis is to assess if changes in the mineralogy and textural properties of the lower continental crust can explain this seismic signature. To this end, we calculated bulk seismic velocity variations, generated by mineralogical changes during burial of rocks representative of the European lower crust along pressure- temperature profiles typical of convergence zones. We studied the evolution of the macroscopic anisotropy of the same rocks as a function of pressure and temperature, using direct measurements. These measurements are compared with anisotropy calculations commonly performed from thin- section crystallographic orientation maps. The ultimate aim of these exercises is to understand which properties control the effective seismic velocities of rocks at kilometer scale. Finally, we have attempted to detect the anisotropy of rocks at this latter scale in receiver-function data from their harmonic decomposition. We show that the transformation of rocks from amphibolite to high-pressure granulite facies explains the increase in velocity of the tomographic model, and that this front is shifted by around ten kilometers along the slab, compared with thermodynamic predictions. Using thermokinetic modelling of convergence zones, we evaluate the thermal profile of the dipping panel during the transition from subduction to collision, and explain this offset by kinetic effects. Direct measurements compared with anisotropy calculations indicate that the expected difference between intrinsic and effective anisotropy is greater in amphibolite facies rocks, where layering and CPO are enhanced, than in granulite facies rocks, where anisotropy results mainly from intrinsic anisotropy. At kilometer scale, amphibolite-to-granulite transformation is likely to be accompanied by a decrease in anisotropy in addition to an increase in velocity. Through harmonic decomposition, we show that the reduced visibility of the Moho, at stations above the dipping panel, is to the benefit of highlighting a fast intra-slab direction oriented perpendicular to its dip. Since this transformation is visible both in the receiver-function data and in the tomography models, we deduce that the thickness of the reaction front is of the order of a kilometer.