Etude 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
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Géosciences
• Date : Inscription en doctorat le ; 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 : GeoRessources
• Jury : Président / Présidente : Pierre Henry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yves Geraud, Mai-Linh Doan, Sylvain Bourlange, Lisa Mcneill, Christopher Wibberley
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Mai-Linh Doan

Mots clés

Mots clés libres

Hydrogéologie

Argiles

Pétrophysique

Sismogénèse

Hydrogéologie

Sismogénèse

Argiles

Tectonique

Résumé

Les mégaséismes tsunamigènes de 2004 et 2011 au large de Sumatra et du Japon, catastrophes naturelles les plus destructrices du 21ème siècle, ont mis en exergue l’incapacité de la communauté scientifique à modéliser le risque sismique et tsunamique. La nécessité de mieux contraindre les conditions in situ qui contrôlent les propriétés de friction de l’interface de subduction dont dépendent le type et l’extension du glissement motive l’essor de campagnes scientifiques pour échantillonner, sonder et monitorer la partie externe des zones de subduction. Celles-ci montrent que le régime de friction est affecté par les surpressions de fluides qui se forment par déshydratation des sédiments enfouis. Cette thèse explore l’influence sur le type de sismicité exprimé par le méga-chevauchement des propriétés lithologiques, physiques et hydrogéologiques de son protolithe (à savoir, les sédiments entrant dans le système de subduction), et de l’évolution de ces propriétés au cours de la subduction dans 1) la marge nord d’Hikurangi caractérisée par une sismicité modérée, des séismes lents et des tsunami earthquakes, 2) la marge en accrétion de Nankai où ont été documentés des méga-séismes tsunamigènes, des séismes lents et des tsunami earthquakes et 3) la marge nord de Sumatra où des mégaséismes tsunamigènes ont principalement été enregistrés jusqu’à présent. Pour cela, plus de 400 échantillons et des diagraphies issus de récentes expéditions de l’International Ocean Discovery Program ont été étudiés pour caractériser : 1) la lithologie pour évaluer la teneur en fluide lié aux minéraux hydratés, 2) la porosité et la perméabilité, combinées à 3) la structure du réseau poreux pour déterminer l’état de compaction de la séquence sédimentaire entrante et son potentiel de production de fluides et de développement de surpressions de fluides. Dans la marge nord de Sumatra, un intervalle riche en smectites hydratées au large de la fosse a été interprété comme la zone de formation d’un décollement mécaniquement faible coïncidant avec un réflecteur sismique dont la forte amplitude et la polarité négative seraient dues à l’accumulation de fluides produits par la déshydratation pré-subduction de la partie inférieure de l’épaisse séquence sédimentaire entrante et de la croûte océanique. La propagation de la rupture co-sismique du mégaséisme de 2004 jusqu’à la fosse, à l’origine du tsunami catastrophique associé, aurait été favorisée par la lithification avancée de la séquence sédimentaire entrante ainsi que par la présence dans la partie externe du prisme de failles satellitaires drainant les fluides du décollement. A contrario, dans la marge nord d’Hikurangi, comme dans d’autres zones de subduction où la croûte océanique présente de fortes hétérogénéités topographiques, 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 de fluides hétérogène le long de l’interface de subduction, avec des pressions de fluides 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 le long du méga-chevauchement, favorables à la formation de séismes, séismes lents et 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 tsunamique en contexte de subduction.

The unexpected megathrust earthquakes and tsunamis of 2004 and 2011 offshore North Sumatra and Japan Trench, that are the most destructive events of the 21th century, were reminders of the inability of scientists to manage earthquake and tsunami risk. International Ocean Discovery Program (IODP) scientific cruises aiming to drill, sample, log and monitor the shallow part of subduction zones were instigated by the necessity to constrain the in situ conditions that control the frictional segmentation of the plate boundary fault, slip type and extent. Resulting studies evidenced that it is affected by excess pore pressure that typically develops in intervals trapping fluids produced by the dehydration of buried input sediments. This PhD explores how earthquake and tsunami risks are controlled by the initial compositional, geometrical, physical and hydrogeological properties of the megathrust protolith (i.e. the sediments entering the subduction zone) and how these properties evolve during subduction based on >400 samples and logging data from recent IODP expeditions at: 1) the sedimentary-starved north Hikurangi margin hosting moderate seismicity, shallow slow earthquake and tsunami earthquakes, 2) the accretionary Nankai margin where megathrust tsunamigenic earthquakes, slow earthquakes and tsunami earthquakes were documented in the past, in contrast to the 3) north Sumatra margin, characterized by an extremely thick input sedimentary section, where megathrust tsunamigenic earthquakes have been mostly recorded so far. We characterized 1) rock composition and pore fluid chemistry to assess mineral-bound water content and sources, 2) porosity and permeability combined to 3) pore structure to determine the compaction state and the potential of the input sedimentary section to produce fluids and to develop excess pore pressure. Our large dataset allows us to relate deformation at the plate boundary to the properties of its protolith interval. 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 and altered oceanic crust below. The strengthened homogeneous thick input section and splay faults draining fluids from the decollement beneath the prism both promote shallow co-seismic slip propagation, thus very high magnitude earthquake and catastrophic tsunami. In contrast, at north Hikurangi, the decollement may form in low permeability fluid-rich pelagic carbonates or altered volcaniclastics above a rough altered oceanic crust, which might be a common setting where seamounts are subducted. There, the heterogeneous compositional, hydrogeological and physical 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 both shallow slow, regular and tsunami earthquakes. Slow slip are 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. The PhD 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) significant methodological improvements including the effects of clay-bound water on compaction state analysis and a workflow for micro- to macroporosity characterization in clay-rich sediments.