4.13.5.1 Zones sismiques doubles
Dans plusieurs zones de subduction, la sismicité de profondeur intermédiaire se produit en deux couches distantes jusqu’à 40 km, séparées verticalement par une région asismique (figure 14). De telles zones sismiques doubles ont été détectées à des profondeurs intermédiaires jusqu’à présent sur des sites locaux au Japon, à Tonga, au Kamchatka, en Alaska, au Chili, en Nouvelle-Bretagne, en Nouvelle-Zélande, au Mexique et à Cascadia (par exemple, Abers, 1992 ; Cassidy et Waldhauser, 2003 ; Comte et Suárez, 1994 ; Gorbatov et al., 1994 ; Hasegawa et al., 1994 ; Kawakatsu, 1986 ; Pardo et Suarez, 1995 ; Rietbrock et Waldhauser, 2004 ; Robinson, 1986). Dans les zones doubles les mieux résolues du nord-est du Japon (Hasegawa et al., 1994) et du Kamchatka (Gorbatov et al., 1994 ; Kao et Chen, 1994), la zone inférieure est sismiquement active entre 30 et 180 km de profondeur, en dessous de laquelle elle fusionne avec la zone supérieure. L’analyse systématique d’un catalogue mondial de sismicité a révélé des preuves de distributions bimodales de la sismicité par rapport à la surface de la dalle, cohérentes avec des zones sismiques doubles dans 30 segments de 16 zones de subduction (Brudzinski et al., 2007). La séparation varie de 8 à 30 km avec une tendance à augmenter avec l’âge de la dalle ; ce résultat est cohérent avec la déshydratation du basalte et de l’antigorite permettant une fragilisation par déshydratation dans les zones supérieures et inférieures, respectivement (Brudzinski et al., 2007).
Figure 14. Coupes transversales illustrant les relations entre la structure thermique, la pétrologie prédite et les emplacements des séismes dans la zone de subduction de Tohoku, au Japon. (a) Structure thermique représentée par des isothermes solides tous les 200°. Les cercles décalés montrent les états de contrainte déduits de Igarashi et al. (2001). (b) Comparaison de la pétrologie prédite par la structure thermique avec les emplacements hypocentraux. La zone inférieure d’une double zone sismique bien développée suit les emplacements prédits des régions de serpentinite.
Adapté de Hacker BR, Peacock SM, Abers GA, et Holloway SD (2003) Subduction factory 2. Les séismes de profondeur intermédiaire dans les dalles subductrices sont-ils liés à des réactions de déshydratation métamorphique ? Journal of Geophysical Research 108 : 24627-24637. http://dx.doi.org/10.1029/2001JB001129.
Les mécanismes focaux indiquent que la majorité des zones doubles sismiques sont cohérentes avec une compression en aval-pendage dans la zone supérieure et une tension en aval-pendage dans la zone inférieure. Ceci est cohérent avec un modèle de contraintes produites par la déformation de la dalle lorsqu’elle se redresse sous la lithosphère chevauchante, et ce modèle a fourni l’explication conventionnelle des contraintes causant les zones doubles (par exemple, Isacks et Barazangi, 1977 ; Kawakatsu, 1986). Mais la sismicité des zones doubles continue bien après que la dalle se soit redressée. Un affaissement mineur pourrait peut-être être en cause. De plus, les zones doubles sous l’Alaska (Abers, 1992) et la Nouvelle-Zélande (Robinson, 1986) ont les deux couches en tension vers le bas, tandis que pour celles sous le Mexique (Pardo et Suarez, 1995) et le nord du Chili (Comte et Suárez, 1994), la zone supérieure est en tension vers le bas et la zone inférieure semble en compression vers le bas. Dans le nord-est du Japon, Igarashi et al. (2001) ont détecté un troisième plan sismique 5 à 10 km au-dessus du plan supérieur en compression vers l’aval ; le troisième plan, le plus élevé, semble se trouver à la surface supérieure de la dalle descendante et juste en dessous. Il se compose de séismes de poussée interplaques à faible angle près de la surface supérieure de la dalle descendante, à une profondeur de 30 à 60 km, et de mécanismes de transition vers des failles normales intraplaques (tensionnelles vers le bas) dans la croûte supérieure, à une profondeur de 60 à 110 km (Igarashi et al., 2001 ; Kita et al., 2006). Une zone similaire à trois plans peut être présente au Kamchatka, où Gorbatov et al. (1994) ont trouvé une poignée d’événements analogues aux événements tensionnels en aval dans le plan supérieur (troisième). Ainsi, il doit y avoir des contraintes d’extension autour de la surface de la dalle, qui ne peuvent pas être expliquées par la seule déformation de la plaque à grande échelle. Les hétérogénéités de contrainte dues à la stratification pétrologique de la dalle peuvent fournir une explication, c’est-à-dire que l’état de contrainte d’extension du troisième plan le plus élevé pourrait être associé à la formation d’éclogites, tandis que l’état de contrainte des autres plans pourrait être largement causé par la déformation (Kita et al., 2006 ; Wang, 2002). Kita et al. (2010) ont inversé les mécanismes focaux des dalles dans le nord-est du Japon pour les orientations des contraintes afin d’estimer l’emplacement du plan neutre entre les couches de compression en aval et les couches d’extension en aval. Ils ont obtenu un plan neutre moins profond sous la surface de la dalle à Hokkaido qu’à Tohoku et suggèrent qu’un coin d’olivine métastable plus petit et moins développé sous Hokkaido fournit moins de flottabilité pour contrecarrer l’extension générale vers le bas à des profondeurs intermédiaires exercée par la traction de la dalle. Kao et Chen (1994) ont proposé que la compression responsable du plan inférieur de la double zone de Kamchatka soit transmise à des profondeurs intermédiaires depuis la base du manteau supérieur.
Pour de nombreuses doubles zones, il est clair que la zone sismique inférieure doit se trouver profondément dans la lithosphère mantellique en subduction, ce qui soulève la question de savoir comment la lithosphère mantellique océanique initialement sèche peut s’hydrater. Peacock (2001) a suggéré que les failles normales associées à la flexion au niveau de l’élévation externe et de la fosse permettent l’infiltration d’eau sur des dizaines de kilomètres dans la lithosphère océanique. Des preuves d’une faille normale omniprésente liée à la flexion et pénétrant à au moins 20 km de profondeur dans la plaque sont observées sur des sites le long de la fosse de l’Amérique centrale (Ranero et al., 2003). Près de la fosse, les données de réflexion révèlent environ 1,5 faille par kilomètre avec des décalages de 100 à 1000 m. Une estimation de la quantité d’eau dans la dalle en subduction au niveau de la fosse d’Amérique centrale suggère que la partie serpentinisée du manteau de la dalle peut contenir autant d’eau chimiquement liée que la partie crustale de la dalle (Ranero et al., 2003). En outre, les schémas d’orientation de ces failles sont similaires à ceux de la sismicité de profondeur intermédiaire dans les zones de subduction de l’Amérique centrale et du Chili (Ranero et al., 2005), ce qui suggère que la sismicité intermédiaire se produit sur des failles préexistantes.
Hacker et al. (2003) ont comparé la morphologie de la sismicité de profondeur intermédiaire pour quatre zones de subduction (Cascadia, Nankai, Costa Rica et Tohoku) avec les emplacements et la teneur en eau des minéraux hydriques, prédits sur la base de l’âge de la dalle et de la structure thermique. La profondeur et la géométrie de la sismicité sont cohérentes avec la distribution prédite de plusieurs phases hydratées. Dans la zone la plus froide, Tohoku, des plans doubles de sismicité entourent le noyau froid de la dalle : les zones se rapprochent l’une de l’autre, suivant presque les isothermes, mais les coupant en fait à un angle faible (voir aussi Kita et al., 2006). La serpentinite antigoritique, une des phases hydratées les plus stables, est le composant principal des dalles plus froides à des profondeurs intermédiaires et on pense qu’elle se déshydrate progressivement jusqu’à environ 200 km. Yamasaki et Seno (2003) ont obtenu un résultat similaire en analysant des zones sismiques doubles dans six zones de subduction. Ces études fournissent des preuves solides de la fragilisation par déshydratation comme mécanisme des séismes intermédiaires jusqu’à peut-être 250 km (Hacker et al., 2003 et Yamasaki et Seno, 2003). Les zones sismiques doubles semblent plus faciles à détecter dans les dalles plus froides, probablement parce que les deux couches sont plus éloignées.
Des zones sismiques doubles ont également été observées en dessous de 300 km de profondeur. Wiens et al. (1993) ont relocalisé des hypocentres avec des arrivées P, pP et PKP et ont résolu une zone sismique double profonde à Tonga de 350 à 460 km, avec environ 30 km séparant les deux couches. L’état de contrainte de la double zone de Tonga est à peu près opposé à l’état typique des profondeurs intermédiaires. Iidaka et Furukawa (1994) ont détecté deux plans séparés d’environ 25 km dans la zone de subduction d’Izu Bonin en utilisant des phases converties S-P à la limite supérieure de la dalle. La double zone s’étend d’environ 300 à 450 km de profondeur, c’est-à-dire en dessous du minimum de sismicité, qui, dans la dalle d’Izu Bonin, se trouve dans la plage anormalement peu profonde de 200 à 300 km. La couche supérieure se trouve à 15-20 km sous la surface supérieure de la dalle. La zone double se trouve dans la même région où Iidaka et Suetsugu (1992) ont déduit un noyau de la dalle sismiquement lent à partir des temps de déplacement (voir la discussion dans Green et Houston, 1995). Ces deux cas ont été interprétés comme la preuve d’une faille transformationnelle sur les bords supérieur et inférieur d’un coin d’olivine métastable (Iidaka et Furukawa, 1994 ; Wiens et al., 1993). Une comparaison des contraintes modélisées dues à un biseau métastable avec les caractéristiques de la zone double profonde de Tonga a suggéré que la zone sismique inférieure pourrait résider bien en dessous d’un biseau métastable hypothétique, ce qui impliquerait le fonctionnement de deux mécanismes de rupture (Guest et al., 2004).