Éditeur(s) : Université Nice Sophia Antipolis
Résumé : The Lesser Antilles is a case study of a very slow subduction (~2 cm/yr) of an old oceanic lithosphere (~84-100 Ma). The region presents a relatively low seismic activity, especially along the interplate contact, and the seismic hazard associated with a possible mega-thrust earthquake is still poorly known. This PhD thesis is a first step toward assessing the ability of the Lesser Antilles subduction zone to produce such a large subduction event. To do so, it aims at constraining the downdip width of the interplate's seismogenic zone. The lack of coverage of permanent seismological stations is a major limitation in the exploration of the Lesser Antilles subduction zone. It is due to the presence of only small aligned islands at far distances from the potentially seismogenic interplate area. Several oceanographic cruises were therefore planned that notably allowed the repeated deployment of ocean bottom seismometers; some of them being left for a few months of background seismicity recording. This thesis specifically focuses on two sets of wide-angle seismic data acquired offshore the Dominica and Martinique islands. From their analysis 3D and 2D tomographic models were produced respectively over the forearc region and across the whole subduction complex. These models constrain the plates' seismic structure as well as their geometry. They allow the discussion of how the imaged structures affect the subduction processes and give a first estimation of the downdip width of the seimogenic zone, defined as the segment of the interplate between the backstop and the upper plate's Moho. The joint interpretation of seismic models and earthquake localizations then refine this first assessment. Epicenter distribution from height months of seismic recording shows indeed that seismicity concentrates within the inner forearc region. The strong velocity gradient that characterize its basement suggests it is denser and more rigid than the more deformable outer forearc basement. The updip limit of the seismogenic zone could then lie arcward of the backstop at the contact of the interplate and the seaward end of the inner forearc crust. At depth, interplate earthquake mechanisms are observed between 35 and 45 km depth and interpreted to have occurred at the downdip limit of the seismogenic zone. The latter could reach a depth over 10,km deeper than the contact of the upper plate's Moho with the interplate, and therefore lie within the mantle wedge. All together, these results imply a large downdip width of the seismogenic zone (~70 km) offshore the Dominica and Martinique islands. Further work is, however, needed in order to fully comprehend the ability of the Lesser Antilles subduction zone to produce a possible mega-thrust earthquake. This would necessitate the evaluation of seismic coupling at the interplate contact and the possible segmentation of the seismogenic zone, for instance, due to the subduction of oceanic ridges.
Les Petites Antilles présentent un contexte géodynamique caractérisé par la subduction à très faible vitesse (~2 cm/an) d'une lithosphère océanique âgée (~84-100 Ma). L'activité sismique y est relativement faible, notamment à l'interplaque, où l'aléa sismique lié à un éventuel séisme de méga-chevauchement reste encore mal contraint. Cette thèse se veut être une première étape dans l'évaluation de la capacité de la zone de subduction des Petites Antilles à générer un tel évènement. Dans ce but, ces travaux tentent d'appréhender l'extension en profondeur du domaine sismogène de l'interplaque. Le manque de couverture des stations sismologiques permanentes est un inconvénient majeur dans l'exploration des Petites Antilles. Il s'explique en raison du peu de terres émergées et de leur éloignement de la zone potentiellement sismogène de l’interplaque. La région a donc fait l'objet de plusieurs campagnes océanographiques qui ont permis, notamment, le déploiement de sismomètres fond de mer (OBS); certains instruments étant restés immergés plusieurs mois afin de procéder à une écoute de la sismicité. Les travaux réalisés au cours de cette thèse se sont focalisés sur deux jeux de données de sismique grand-angle acquis au large des îles de la Dominique et de la Martinique. Leur analyse a permis la construction de modèles tomographiques 3D et 2D respectivement à l'échelle de l'avant-arc et de l'ensemble de la subduction. Ces modèles renseignent sur la structure sismique des plaques en convergence ainsi que sur leur géométrie. Ils permettent de discuter le rôle de la structure dans le fonctionnement de la subduction et d’obtenir une première estimation de l'extension en profondeur de la zone sismogène en considérant la portion de l'interplaque comprise entre le butoir et le Moho de la plaque supérieure. Dans un second temps, l'interprétation conjointe des modèles tomographiques et des localisations des séismes locaux a permis d'affiner cette estimation. Huit mois d'enregistrement de la sismicité montrent en effet une concentration des épicentres dans la région interne de l’avant-arc. Celle-ci présente un socle épais, à fort gradient de vitesse interprété comme plus dense et rigide que le socle de la région externe de l'avant-arc, plus déformable. La limite amont de la zone sismogène pourrait donc se situer en retrait de la position du butoir au contact de l'interplaque et de la limite entre ces deux zones de l'avant-arc. En profondeur, des mécanismes interplaques sont observés entre 35 et 45 km et interprétés comme des marqueurs de la limite aval de la zone sismogène. Cette dernière pourrait donc atteindre une profondeur jusqu'à 10 km supérieure à la limite précédemment évoquée et se trouver, par conséquent, au contact du manteau lithosphérique. L'ensemble de ces résultats suggèrent une extension en profondeur de la zone sismogène (i.e une largeur) de près de 70 km face aux îles de la Dominique et de la Martinique. Ces travaux doivent cependant être poursuivis afin d’évaluer pleinement la capacité de la zone de subduction des Petites Antilles à générer un éventuel séisme de méga-chevauchement. Le taux de couplage à l'interplaque doit être précisé ainsi que sa possible segmentation en lien, par exemple, avec à l'entrée en subduction des rides océaniques.

Droits : info:eu-repo/semantics/openAccess
http://archimer.ifremer.fr/doc/00172/28335/26628.pdf
http://archimer.ifremer.fr/doc/00172/28335/

Éditeur(s) : Soc Geol France
Résumé : The Lesser Antilles subduction zone has produced no recent strong thrust earthquakes, making it difficult to quantify the seismic hazard from such events. The Lesser Antilles arc has a low subduction rate and an accretionary wedge that is very wide at its southern end. To investigate the effect of the wedge on seismogenesis, numerical models of forearc thermal structure were constructed along six transects perpendicular to the arc in order to determine the thermally predicted width of the seismogenic zone. The geometry of each section is constrained by published seismic profiles and crustal models derived from gravity and seismic data and by earthquake hypocenters at depth. A major constraint on the deep part of the model is that mantle temperature beneath the volcanic arc should achieve a temperature of 1,100 degrees C to generate partial melts. Predicted surface heat flow is compared to the available heat flow observations. Thermal modeling results indicate a systematic southward increase in the width of the seismogenic zone, more than doubling in width from north to south and corresponding to a dramatic southward increase in forearc width (distance from the arc to the deformation front of the accretionary wedge). The minimum width of the seismogenic zone (distance between the intersections of the subduction interface with the 150 degrees C and 350 degrees C isotherms) increases from about 80 km, north of 16 degrees N, to 230 km, at 13 degrees N. The maximum width (between the 100 degrees C and 450 degrees C isotherms) ranges from about 150 km in the north to up to 320 km in the south. This large variation in the width of the seismogenic zone is a consequence of the increasing width of the accretionary wedge to the south, caused by the increased thickness of sediment on the subducting plate. There is good agreement between the thermally predicted seismogenic limits and the sparse distribution of recorded thrust earthquakes, which are observed only in the northern portion of the arc. Possible scenarios for mega-thrust earthquakes are discussed. Depending on the segment length (along-strike) of the rupture plane, the occurrence of an event of magnitude 8-9 cannot be excluded.
L’absence de grands séismes récents à mécanismes chevauchants dans la zone de subduction des Petites Antilles rend difficile l’évaluation de l’aléa sismique lié à de tels événements. L’arc des Petites Antilles est caractérisé par une faible vitesse de subduction et par la présence d’un prisme d’accrétion très développé à son extrémité méridionale. Afin d’évaluer les effets de la largeur de ce prisme sur la genèse des séismes, nous avons étudié six sections perpendiculaires à l’arc, du nord au sud de celui-ci, pour déterminer la largeur de la zone sismogène prédite par les modèles thermiques appliqués à chacune de ces coupes. La géométrie de ces dernières est contrainte par les profils sismiques publiés, par les modèles de structure crustale déduits des données gravitaires et sismiques, et enfin par la distribution des hypocentres des séismes. Un contrôle important permettant de tester la validité des modèles thermiques en profondeur est qu’une température minimale de 1 100oC, compatible avec la fusion partielle du manteau hydraté, doit être atteinte sous l’arc volcanique actif. Par ailleurs, le flux thermique en surface prédit par ces modèles doit être compatible avec les mesures de flux de chaleur. Les modèles thermiques retenus d’après ces critères montrent une augmentation du simple au double vers le sud de la largeur de la zone sismogène, qui correspond à un élargissement considérable de la taille du domaine avant-arc. En effet, la largeur minimale de la zone sismogène (définie comme la distance entre les intersections de l’interface des plaques avec les isothermes 150o et 350oC) augmente d’environ 80 km au nord de 16oN jusqu’à 230 km à 13oN. La largeur maximale de cette zone (définie par les intersections de l’interface avec les isothermes 100o et 450oC) augmente, quant à elle, d’environ 150 km au nord jusqu’à 320 km au sud de l’arc. Cette variation considérable est la conséquence de l’augmentation de la largeur du prisme d’accrétion, elle-même causée par l’accumulation croissante des sédiments déposés sur la plaque plongeante. Les largeurs de la zone sismogène prédites à l’aide des modèles thermiques sont en bon accord avec les rares données disponibles sur les séismes à mécanismes chevauchants dans la partie nord de l’arc. Les scénarios possibles relatifs à des méga-séismes de ce type n’excluent pas de futurs événements atteignant des magnitudes de 8 à 9.
Bulletin De La Societe Geologique De France (0037-9409) (Soc Geol France), 2013 , Vol. 184 , N. 1-2 , P. 47-59

Droits : 2013 Societe Geologique de France
http://archimer.ifremer.fr/doc/00140/25140/29432.pdf
DOI:10.2113/gssgfbull.184.1-2.47
http://archimer.ifremer.fr/doc/00140/25140/

Éditeur(s) : HAL CCSD
Résumé : National audience
The Lesser Antilles subduction zone has produced no recent strong thrust earthquakes, making it difficult to quantify the seismic hazard from such events. The Lesser Antilles arc has a low subduction rate and an accretionary wedge that is very wide at its southern end. To investigate the effect of the wedge on seismogenesis, numerical models of forearc thermal structure were constructed along six transects perpendicular to the arc in order to determine the thermally predicted width of the seismogenic zone. The geometry of each section is constrained by published seismic profiles and crustal models derived from gravity and seismic data and by earthquake hypocenters at depth. A major constraint on the deep part of the model is that mantle temperature beneath the volcanic arc should achieve a temperature of 1,100°C to generate partial melts. Predicted surface heat flow is compared to the available heat flow observations. Thermal modeling results indicate a systematic southward increase in the width of the seismogenic zone, more than doubling in width from north to south and corresponding to a dramatic southward increase in forearc width (distance from the arc to the deformation front of the accretionary wedge). The minimum width of the seismogenic zone (distance between the intersections of the subduction interface with the 150°C and 350°C isotherms) increases from about 80 km, north of 16°N, to 230 km, at 13°N. The maximum width (between the 100°C and 450°C isotherms) ranges from about 150 km in the north to up to 320 km in the south. This large variation in the width of the seismogenic zone is a consequence of the increasing width of the accretionary wedge to the south, caused by the increased thickness of sediment on the subducting plate. There is good agreement between the thermally predicted seismogenic limits and the sparse distribution of recorded thrust earthquakes, which are observed only in the northern portion of the arc. Possible scenarios for mega-thrust earthquakes are discussed. Depending on the segment length (along-strike) of the rupture plane, the occurrence of an event of magnitude 8-9 cannot be excluded.
Bulletin Société Géologique de France

insu-00814056
https://hal-insu.archives-ouvertes.fr/insu-00814056
DOI : 10.2113/gssgfbull.184.1-2.47