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La subduction océanique
Leçon secteur C- préparation à l’agrégation SV-STU d’Orsay
Proposition de plan par : Mathieu Rodriguez, Agrégé préparateur ENS
Introduction (5min)
-Définition de la subduction: Les zones de subduction sont des lieux de convergence des
plaques. Au niveau des zones de subduction, une des plaques passe sous l’autre (elle subduit)
pour plonger vers les profondeurs du manteau. Une zone de subduction met ainsi en jeu trois «
acteurs » principaux -la lithosphère subduite, la lithosphère chevauchante et le manteau- qui,
en fonction de leurs caractéristiques respectives, vont interagir pour donner à chaque zone sa
dynamique propre (géométrie du panneau plongeant, cinématique des plaques, mouvement de
la fosse, régime tectonique de la plaque supérieure). La variabilité des zones de subduction
doit être illustrée ici à l’aide d’exemples bien choisis. Le sujet exclut la subduction continentale.
-Définition lithosphère océanique : basalte, gabbro, péridotites du manteau supérieur. Densité
~2.9.
-Intérêt : 90% de l’énergie sismique est libérée aux zones de subduction. Nombreux
mégaséismes (Sumatra, Tohoku, Maule…). Aléa tsunami associé. Aléa volcanique associé.
-2 grandes ceintures de subduction : les subductions associées aux océans téthysiens, les
subductions péri pacifique.
Distribution des zones de subduction. Cas particulier des zones de subduction obliques (ex.
Sumatra).
-Il ne s’agit pas ici de détailler toutes les zones de subduction océaniques (c’est l’objectif
d’autres leçons), mais d’établir les grandes lignes permettant de comprendre le processus de
subduction océanique. Le sujet est vaste, et peut être abordé de différents points de vue, tous
aussi riches les uns que les autres. Il serait aisé de faire un exposé de 50 minutes seulement sur
la sismicité des zones de subductions, ou seulement sur le métamorphisme, le magmatisme
etc…Dans le cadre de cette leçon, nous n’aborderons que le premier ordre propre à chacun de
ces points de vue.
Cette correction est construite à partir de nombreux extraits de la thèse d’A. Heuret (2005),
consultable en ligne.
1) Les éléments structuraux des zones de subduction océaniques (15 min)
a. La plaque subduite
*La plaque subduite avant l’entrée en subduction :
-La fosse. ex. La fosse des Mariannes, 11034 m de profondeur
-Le bombement flexural, l’extension extrados. Mise en évidence par la bathymétrie
(bombement de quelques centaines de mètres), la gravimétrie (quelques dizaines de mGals sur
la gravi à l’air libre), la distribution des séismes et leur mécanisme au foyer (distribution des
hypocentres des séismes en deux couches caractéristiques: en extension à la surface, et en
compression à la base). Localisé à 50-100 km de la fosse.
- Les aspérités : chaînes de volcans, relief de zone de fracture…
Ex. de la zone de subduction du Costa Rica : présence d’une fosse (en violet sur la bathy) ;
présence de failles normales s’enracinant dans le manteau ; présence d’aspérités induisant des
courbures de courtes longueur d’onde du front de subduction…
*La zone d’entrée en subduction & zone avant arc: prisme d’accrétion vs subduction érosive
-Empilement d’écailles tectoniques à la faveur de failles inverses/chevauchements, enracinées
sur un niveau de décollement. Décapage des sédiments de la plaque subduite à l’origine des
écailles.
-Diversité structurale des prismes selon leur angle d’ouverture (Taper)-Théorie du prisme de
Coulomb. Mode de construction des prismes dépend de la friction basale.
-Cas particulier des chevauchements hors-séquence (ex Nankai). Cas particuliers de failles
normales au sein d’un prisme.
-Dans certains cas, plusieurs niveaux de décollement peuvent prendre place au sein d’un prisme.
Il peut y avoir sous placage d’écailles sous un prisme, ex. du prisme de l’Alaska
-Cas des subductions érosives, marquées par des anomalies de subsidence, supposées
représenter l’érosion tectonique de la base de la lithosphère au niveau de la zone de décollement.
*Le panneau plongeant (slab) :
- Le slab est un corps froid qui plonge vers les profondeurs d’un manteau qui va le réchauffer
au fur et à mesure de sa descente. L’état thermique du slab est contrôlé par la température de la
lithosphère à son entrée en subduction (elle diminue avec l’âge A de la plaque) et sa vitesse de
réchauffement (elle diminue avec la vitesse de descente du slab dans le manteau). La
distribution des isothermes au sein de slab est ainsi fonction du paramètre thermique ϕ =
A.Vs(n).sinα (mesuré en km), où Vs(n) est la composante normale à la fosse de la vitesse de
disparition de la plaque subduite dans le manteau (vitesse de subduction) et α le pendage du
slab).
-Plans de Wadati Benioff, sismicité identifiée jusqu’à 700 km de profondeur environ.
-Les mécanismes contrôlant l’apparition des séismes sont différents en fonction de la
profondeur : flexion de la plaque à l’entrée de la subduction (séismes extensifs à la surface de
la plaque et compressifs à la base), puis déflexion vers 50 km de profondeur (séismes
compressifs à la surface de la plaque et extensifs à la base), friction à l’interface des plaques
(séismes compressifs) jusqu’à une cinquantaine de kilomètres de profondeur (on parle de zone
sismogénique), poids de la plaque puis résistance du manteau environnant (séismes
intermédiaires, extensifs puis compressifs, entre 100 et 300 km de profondeur). L’expression
des séismes les plus profonds (>300 km) est quant à elle strictement contrôlée par l’état
thermique du slab même si la résistance du manteau augmente au fur et à mesure que la limite
à 670 km approche, le slab n’est pas toujours suffisamment froid pour que la rupture ait lieu.
- Dans la mesure où la sismicité prend fin à 670 km de profondeur et même à 300 km pour les
slabs les plus chauds, le plan de Wadati/ Benioff ne donne cependant qu’une image tronquée
de la subduction… Nécessité de compléter avec la tomographie sismique.
-Le slab vu par la tomographie (principe)/
- Les subductions s’enracinent parfois jusqu’à plusieurs milliers de kilomètres dans le manteau,
où elles constituent les hétérogénéités de densité les plus visibles
-La tomographie, en complément des plans de Wadati/Benioff, révèle différentes
configurations des slabs (variation du pendage associée au retrait de slab, variation de pendage
associée aux transitions de phase de l’olivine entre ~400 et 700 km de profondeur, etc…).
Gamme de variation entre un type de subduction dit ‘Mariannes’ (fort pendage du slab) et un
type de subduction dit ‘Chili’ (faible pendage du slab).
-Identification de la déflexion de slabs par la tomographie.
-Identification de détachements de slabs par la tomographie.
Ex. de la zone de subduction du Nankai, Japon.
Résumé de la théorie du prisme de Coulomb
Schéma d’un plan de subduction et de la distribution de la sismicité selon les domaines de la
subduction
Plans de Wadati Benioff des subductions de l’Est Pacifique, vus par la distribution des
hypocentres (à gauche pour les Mariannes) et par la tomographie sismique (à droite pour les
Tonga Kermadec)
-Les facteurs de variabilités dans la géométrie des slabs, synthèse : A/variabilité de pendage,
(slab plat de la subduction du Sud Chili vs slab vertical des Mariannes), B/ variabilité dans
la profondeur de pénétration du slab (le slab de Manille et celui du Sud Chili se défléchissent
sur la discontinuité à 670 km alors que celui des Mariannes semble pénétrer le manteau
inférieur jusqu’à des profondeurs de 1200 km ; les slabs de certaines subductions comme
celles de Puységur ou Yap n’ont pas encore atteint la limite manteau supérieur/manteau
inférieur), C/ variabilité dans la direction de la déflexion au contact du manteau inférieur
(le slab du Sud Chili est défléchit vers l’avant, i.e., la partie défléchie du slab se situe sous
la plaque supérieure ; celui de Manille est retourné, i.e., la partie défléchie du slab se situe
sous la plaque subduite ; le slab des Mariannes, quant à lui présente une forme intermédiaire,
en « S »).
-Variabilité entre toutes ces configurations au cours du temps, à la faveur de slab break off
etc…
Déflexion du slab, ex. subduction Manille-Luzon
b. La plaque supérieure
-L’Arc Magmatique : alignement de volcans parallèle à la fosse. Il se situe à l’aplomb de zones
de fusion localisées dans le coin mantellique qui surplombe la plaque en subduction.
-Zone Arrière Arc : l’expansion océanique et la création de bassins arrière-arc (régime extensif
; e.g., Mariannes, Tonga), et la formation de chaînes de montagne par le biais de grands rétro-
chevauchements trans-lithosphériques (régime compressif ; e.g., Amérique du Sud).
-Migration des arcs accompagnent les migrations des slabs ou de la fosse.
Schémas de 2 extrêmes de configuration arrière-arc : mode compressif et mode extensif.
2) Dynamique des zones de subduction océaniques : forces impliquées (10 min)
Les grands éléments structuraux des zones de subduction & les forces impliquées: la plaque
subduite (bleu clair) et son panneau plongeant (bleu foncé), la plaque supérieure (saumon) qui
peut être désolidarisée de l’arc (rouge) en cas de déformation arrière-arc, et le manteau (vert
clair pour le manteau supérieur, vert sombre pour le manteau inférieur). Vsub désigne le
mouvement absolu de la plaque subduite, Varc celui de l’arc et Vsup celui de la plaque
supérieure. Les grandes forces qui agissent dans les zones de subduction sont également
représentées : le slab pull (Fsp), la résistance au ploiement (Fp1 : ploiement à la fosse ; Fp2 :
ploiement au contact du manteau inférieur), la force de friction à l’interface des plaques (Ff),
la résistance du manteau au mouvement de la plaque subduite ou mantle drag (Fmd), la
résistance à l’enfoncement du slab dans le manteau ou cisaillement visqueux (Fcv1 :
cisaillement visqueux slab/manteau supérieur ; Fcv2 : cisaillement visqueux slab/manteau
inférieur), la force d’ancrage (Fa), la force de traction/poussée associée au mouvement absolu
de la plaque supérieure et transmise à l’interface des plaques (Fsup), les forces associées aux
flux régionaux qui peuvent animer le manteau, et qui existent indépendamment du
fonctionnement de la zone de subduction (Fm). En pointillé sont représentés les flux
mantelliques qui peuvent être générés par les mouvements du slab : le « corner flow » (fc)
associé au cisaillement visqueux entre slab et manteau supérieur, et le flux toroïdal (ft), associé
à la force d’ancrage. D’après Heuret 2005
a. Les forces motrices
-La traction du panneau plongeant ou « slab pull » résulte du poids du panneau en subduction
et de la réaction de l’asthénosphère (la poussée d’Archimède). Cette force est verticale et reflète
l’excès de masse du slab par rapport à l’asthénosphère: elle est fonction de la différence de
densité moyenne Δρm entre l’asthénosphère et le slab, et du volume du slab. Pour un système
bidimensionnel, la force du slab pull s’exprime par : Fsp =K*ρm*Ls*√Am. L’effet du volume
apparaît à travers la longueur du slab Ls et √Am, estimation de l’épaisseur du slab en fonction
de son âge moyen. K est une constante qui inclut l’accélération de la gravité g.
- La poussée depuis la dorsale, ou « ridge push »
- Le slab pull a été estimé à un ordre de grandeur au dessus du ridge push (4.9 1013 contre 3,9
1012 N.m-1).
-Les flux mantelliques génèrent des forces de pression Fm le long de la plaque en subduction.
Ces forces seront motrices ou résistantes en fonction de l’orientation du flux mantellique et de
celle de la subduction.
b. Les forces de résistance
-La résistance au ploiement du slab : Le slab résiste à sa mise en ploiement à la fosse mais aussi
au contact du manteau inférieur, lorsque la subduction est suffisamment engagée pour
l’atteindre deux paramètres sont essentiels : le rayon de courbure Rc et l’épaisseur de la plaque
h. La force dépensée pour le ploiement de la plaque est d’autant plus grande que celle-ci est
épaisse et que le rayon de courbure atteint est petit.
- Friction à l’interface des plaques : force de frottement associée s’exerce tout au long de la
zone sismogénique
- La résistance visqueuse du manteau : Le manteau, de par sa viscosité, s’oppose à tout
mouvement de la lithosphère. Il existe ainsi une résistance du manteau au déplacement
horizontal des plaques. Cette résistance se fait sous la forme d’un cisaillement visqueux ou «
mantle drag », tout au long de la base des plaques. De la même façon, le manteau exerce une
résistance à l’enfoncement du slab. Chaque élément de l’interface slab/manteau (base et
sommet) est ainsi soumis à un cisaillement visqueux. Cette force est subparallèle à l’interface.
c. Dynamique des zones de subduction au cours du temps
-Slab break off, changement de pendage du slab
-inversion de polarité de subduction
-Migration : retrait du slab et de la fosse…ou avancée
d. Relations statistiques
-Plus le pourcentage de frontière en subduction d’une plaque est élevé, plus la vitesse de la
plaque en question est élevée.
-L’âge du slab n’est pas, d’une manière générale, un paramètre aussi déterminant : suite à un
épisode de slab break off, une lithosphère agée peut avoir un pendage faible…
-Les slabs les plus vieux et les plus lourds ont en général un pendage fort, limitant la
transmission de contrainte compressive à la plaque supérieure.
Pour les grandes plaques :
*Le mouvement absolu de la plaque supérieure présente les meilleures corrélations avec le
mouvement de la fosse (cette dernière suit la plaque supérieure partout où la déformation
arrière-arc est négligeable).
*Mouvement absolu de la plaque sup est aussi corrélé avec le régime tectonique de la région
arrière-arc et le pendage du slab : les retraits de la plaque supérieure par rapport à la fosse
favorisent les extensions arrière-arc et les forts pendages, et inversement pour les plaques
supérieures en avancée.
- Les tendances sont beaucoup moins bien marquées, mais le mouvement de la plaque subduite
semble lui aussi être influent : grossièrement, les plaques subduites les plus lentes favorisent la
compression arrière-arc et les faibles pendages du panneau plongeant.
-Des forces de résistance associées aux mouvements du manteau inhiberaient les mouvements
latéraux du slab et favoriseraient ainsi son ancrage.
-Le simple mouvement de la plaque supérieure ne suffit pas à expliquer les vitesses d’accrétion
arrière-arc très rapides et les retraits de fosses observées localement, le long des subductions
associées à des bassins marginaux en formation. Ces déformations rapides marquent la
proximité de bordures de slab qui pourraient favoriser le passage du manteau d’un côté du slab
à l’autre. De tels flux mantelliques seraient alors susceptibles de forcer le retrait du slab et
d’expliquer les vitesses d’expansion arrière-arc observées.
-D’une manière plus générale, la largeur du slab semble en partie conditionner le régime
tectonique de la plaque supérieure, mais aussi la géométrie du panneau plongeant : les slabs les
plus étroits sont préférentiellement associés à des extensions arrière-arc et à de forts pendages
du slab (e.g., Nouvelles Hébrides, Nouvelle Bretagne, Sandwich), alors que les slabs les plus
larges, surtout dans leur partie centrale, favorisent plutôt les compressions arrière-arc et les
faibles pendages (e.g., Japon, Pérou-Chili). Cette observation pourrait témoigner de l’influence
de flux mantelliques contournant les slabs, que ces flux soient une réponse aux mouvements du
slab (i.e., associés à la résistance visqueuse du manteau, c'est-à-dire la force d’ancrage) ou qu’il
s’agisse de flux surimposés (globaux ou régionaux) venant interagir avec le panneau plongeant.
-La géométrie du slab influence un certain nombre de paramètres tels que le régime tectonique
de la plaque supérieure (le régime est d’autant plus compressif que le slab est peu pentu) et la
localisation de l’arc volcanique (l’arc volcanique est d’autant plus proche de la fosse que le slab
est pentu). La première observation est certainement à mettre en relation avec les plus fortes
contraintes compressives qui sont transmises à la plaque supérieure du fait de l’augmentation
de la surface de contact entre les plaques qui accompagne les pendages les plus faibles.
Pendage du slab et régime tectonique arrière arc
3) Métamorphisme et magmatisme au niveau des zones de subductions océaniques (15
min)
a. Les gradients métamorphiques progrades
-Brève définition du métamorphisme
-Présenter un gradient franciscain HP-BT typique d’une zone de subduction, par exemple la
série Schiste Vert-Schiste Bleu-Eclogite des Alpes occidentales, avec échantillons à l’appui
b. L’eau dans les zones de subduction : Hydratation et déshydratation du slab
La lithosphère océanique qui entre en subduction à la fosse est gorgée d’eau (au niveau des
sédiments, des basaltes, des gabbros, et des péridotites du manteau lithosphèrique, souvent
richement serpentinisées, jusqu’à 12%). La majeure partie de cette eau est piégée dans les
sédiments déposés sur la plaque et les minéraux hydratés de la croûte, altérée au contact de
l’eau de mer et par les circulations hydrothermales qui s’y mettent en place, ainsi que dans les
serpentinites du manteau lithosphérique. Au fur et à mesure que la plaque entre en subduction,
elle est chauffée et tend à se déshydrater. Cette perte d’eau s’accompagne d’une série de
transformations minéralogiques et lithologiques qui entraîne une forte augmentation de la
densité de lithosphère: par exemple, au fur et à mesure de l’augmentation des conditions de
métamorphisme, les basaltes et gabbros hydratés initiaux (environ 5% d’eau) relâchent de l’eau
pour se transformer en schistes bleus (3% d’eau ; 30 km de profondeur), puis en amphibolites
(1-2% d’eau ; elles persisteraient jusqu’à des profondeurs de l’ordre de 100 km), et, enfin, en
éclogites (<1% d’eau ; jusqu’à 250 km de profondeur). L’eau est relâchée dans la partie de
manteau située entre la plaque supérieure, (jusqu’à l’arc volcanique, approximativement), et la
plaque en subduction (coin mantellique), entraînant la fusion partielle du manteau, et une
diminution de sa viscosité.
c. Le métasomatisme
-La fusion du manteau est induite par les fluides relâchés par le slab (l’hydratation du manteau
en abaisse la température de fusion) au fur et à mesure qu’il se réchauffe en descendant dans le
manteau. Preuve de la haute teneur en eau des magmas à l’origine du volcanisme d’arc : leur
caractère explosif, la présence de nombreux minéraux hydroxylés dans les laves…
d. La série calco-alcaline : origine
-Présentation des échantillons clefs de la série calco alcaline
-Présentation de la série sur un diagramme Potassium/silice et sur diagramme AFM. Série
enrichie en Silice.
-Différenciation des termes de la série issue de la cristallisation fractionnée
e. Slab break off & adakiites
-Cas particulier de la fusion des slabs en contexte de subduction ‘chaude’. Ex. sud Chili.
Conclusions (5 min): la subduction, force motrice de la tectonique des plaques ? vs
convection…
Construire au fur et à mesure au tableau un schéma bilan de ce type (en rajoutant une
échelle)
