Étude sismologique du volcan Lucky Strike et du champ hydrothermal, dorsale médio-atlantique

A seismological study of Lucky Strike volcano and hydrothermal field, Mid-Atlantic Ridge

• Auteur / Autrice : Soumya Bohidar
• Direction : Wayne Crawford, Mathilde Cannat
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 17/03/2023
• 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 : Ingo Grevemeyer
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Ingo Grevemeyer, Robert Sohn, Jean Battaglia, Karin Sigloch
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ingo Grevemeyer, Robert Sohn

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dorsale médio-atlantique

Dynamique des fluides

Altération hydrothermale

Sismotectonique

Séismes

Mots clés libres

Microséismicité

Circulation hydrothermale

Interaction magmato-tectonique

Dorsale médio-atlantique

Dorsales lentes

Microseismicity

Hydrothermal circulation

Magmato-tectonic interaction

Mid-Atlantic Ridge

Slow spreading ridge

Résumé

Les circulations hydrothermales au niveau des dorsales médio-océaniques sont responsables des échanges thermiques et chimiques entre la terre solide et l'océan. L'étude de la circulation hydrothermale sur les dorsales lentes est particulièrement difficile car l'emplacement et la taille de la source de chaleur magmatique et la géométrie des voies de circulation des fluides hydrothermaux sont dans la plupart des cas mal définis. Dans cette thèse, j'étudie les caractéristiques spatio-temporelles de la microsismicité sous le volcan Lucky Strike et le champ hydrothermal, Mid-Atlantic Ridge pour comprendre les circulations hydrothermales et les interactions magmato-tectoniques dans un center de dorsale lente magmatiquement riche. Dans la première partie, j'ai analysé 12 années de données de sismomètres fond de mer (OBS) à courte période enregistrées entre 2007 et 2019. Cette étude révèle une sismicité régulière et continue de faible magnitude (ML ~ -1 à 0) juste au nord du champ hydrothermal et ~0.5-2 km au-dessus du réflecteur axial de la chambre magmatique (AMC). Cette sismicité indique que les processus se produisant à la base de la circulation hydrothermale, tels que la contraction thermique des roches par un refroidissement rapide, éventuellement combinée à une expansion volumique due à la formation de minéraux hydratés et à une fissuration d'extension liée à l'écartement des plaques, sont les principales sources de sismicité dans cette région. Nous proposons donc que les changements spatiaux documentés des groupes de sismicité suivent la progression des zones d'extraction de plus forte chaleur dans la partie inférieure de la zone d'écoulement descendant hydrothermique. Le principal changement s'est malheureusement produit pendant un intervalle de données entre juin 2013 et avril 2015: le principal groupe de sismicité s'est déplacé de ~800 m vers l'est et la distribution de la sismicité est passée d'un patch proche de l'AMC à un modèle vertical en forme de tuyau. Nous proposons que ce changement est dû à des injections magmatiques récentes au-dessus de l'AMC. Nous observons également trois périodes de sismicité plus élevée : Avril-Juin 2009, Août-Septembre 2015, et Avril-Mai 2016. La période avril-juin 2009 a été la plus intense, commençant par un événement de magnitude relativement élevée (ML = 1.7), et culminant en juin après un autre événement de plus forte magnitude (ML = 1.8). Nous interprétons cette période de sismicité plus élevée comme résultant d'événements tectoniques ouvrant des canaux locaux de plus grande perméabilité pour les fluides hydrothermaux descendants. Dans la partie 2, je me concentre sur la détection de la microsismicité proche du plancher océanique près d'un site hydrothermal (Tour Eiffel) en utilisant environ un an de données d'hydrophones enregistrées entre septembre 2016 et septembre 2017 à partir d'un petit réseau d'ouverture ~150 m. Nous détectons 740 événements peu profonds dans la gamme de magnitude locale -4 à -0,5. La plupart de ces événements sont dispersés sans aucun regroupement spécifique et ont une limite de profondeur de ~150-250 m sous le fond marin, parmi lesquels seulement ~10% des événements sont situés à l'intérieur du réseau. Les taux de sismicité à Tour Eiffel sont ~80 fois moins élevés qu'à TAG (Pontbriand & Sohn, 2014), ce qui serait cohérent avec les évidences chimiques d'une précipitation d'anhydrite limitée, voire absente, enregistrée dans les fluides hydrothermaux diffus de TE. Dans la troisième partie, je présente et évalue l'utilisation de la polarisation des ondes P des événements locaux pour orienter les composantes horizontales des OBS de courte période. Nous montrons que la technique peut fournir des orientations fiables dans certains cas, mais ne sont pas fiables dans de nombreux cas, probablement liées à la structure locale sous la station.

Hydrothermal circulations at Mid-Ocean Ridges are responsible for thermal and chemical exchange between the solid earth and the ocean. Studying hydrothermal circulation at slow spreading ridges is particularly challenging because the location and size of the magmatic heat source and the geometry of hydrothermal fluid pathways are in most cases poorly constrained. In this thesis, I study the spatiotemporal characteristics of microseismicity beneath Lucky Strike volcano and hydrothermal field, Mid-Atlantic Ridge to understand the hydrothermal circulations and magmato-tectonic interactions in a magmatically robust slow spreading segment center. In part-1, I analyzed 12 years of short period ocean bottom seismometer (OBS) data recorded between 2007 and 2019. This study reveals steady and continuous low magnitude seismicity (ML ~ -1 to 0) just north of the hydrothermal field and ~0.5-2 km above the axial magma chamber reflector (AMC), indicating that processes occurring at the base of hydrothermal circulation, such as thermal contraction of rocks by rapid cooling, possibly combined with volumetric expansion due to the formation of hydrous minerals and extensional cracking related to plate spreading, are the major sources of seismicity in this region. These processes are not mutually exclusive, and we thus propose that the documented spatial shifts of the seismicity clusters track the progression of enhanced heat extraction zones in the lower part of hydrothermal downflow zone. The main shift unfortunately occurred during a data gap between June 2013 and April 2015: the main seismicity cluster moved ~800 m eastward and the seismicity distribution changed from a patch close to the AMC to a vertical pipe-like pattern. We propose that this shift was driven by recent magmatic injections above the AMC. We also observe three higher seismicity periods: April-June 2009, August-September 2015, and April-May 2016. The April-June 2009 period was the most intense, starting with a relatively high magnitude event (ML = 1.7), and culminating in June after another higher magnitude (ML = 1.8) event. We interpret this higher seismicity period to have resulted from tectonic events opening enhanced local permeability channels for downgoing hydrothermal fluids. In part-2, I focus on detection of near seafloor microseismicity near one hydrothermal vent site (Tour Eiffel) using ~ 1 year of hydrophone data recorded between September 2016 and September 2017 from a small ~150 m aperture network. We detect 740 shallow events in local magnitude range -4 to -0.5. Most of these events are scattered without any specific clustering and have a depth limit of ~150-250 m beneath the sea floor, out of which only ~10% of the events are located inside the network. As a preliminary interpretation, we consider these events to have originated as a result of reaction driven cracking in response to anhydrite precipitation. Seismicity rates at Tour Eiffel are ~80 times less than at TAG (Pontbriand & Sohn, 2014), which would be consistent with the chemical evidence for limited to absent anhydrite precipitation recorded in the TE diffuse vent fluids (Wheeler et al., submitted). In part-3, I present and evaluate using P-wave polarization of local events to orient the horizontal components of short period OBSs. The technique is commonly used for broadband sites using teleseismic events, but short-period seismometers can only use local events. We show that the technique can provide reliable orientations in some cases, but in many cases the orientations are not reliable, probably related to local structure beneath the station.