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Anisotropie du manteau sous les stations GEOSCOPE

L’analyse systématique de l’anisotropie sous des stations sismologiques permanentes a plusieurs intérêts : le premier est bien sûr régional pour étudier la structure du manteau sous chaque station. Le deuxième est de "calibrer" au mieux l’anisotropie du manteau supérieur sous chaque site afin de pouvoir l’utiliser pour détecter des anisotropies plus profondes. En effet, pour accéder au fluage du manteau proche de la source sismique, ou bien le long des rais sismiques par la mesure de déphasage des ondes de cisaillement (S directes, S diffractées, PS, etc.), il faut pouvoir s’affranchir de l’anisotropie des couches les plus externes. Si l’on est capable d’effectuer ce type de corrections, on peut alors rechercher l’anisotropie dans les couches plus profondes de la Terre, comme la couche D" (Kendall & Silver, 1998) ou la zone de transition (Montagner & Kennett, 1996 ; Wookey et al., 2002).

L’analyse de données enregistrées par le réseau Geoscope en continu depuis plus de 10 années nous a permis d’effectuer ces calibrations de déphasage des ondes SKS et de mettre en évidence certaines caractéristiques (Barruol & Hoffmann, 1999).

Carte de résultats moynes de déphasages des ondes SKS, ainsi que des vecteurs mouvements des plaques en chacune des stations

Absence d’anisotropie : L’isotropie a été très bien caractérisée en quelques stations continentales (SSB en France, CAN en Australie et HYB en Inde), elle l’est un peu moins aux stations océaniques du fait du bruit de fond qui est généralement bien supérieur à celui des stations continentales.

Stations océaniques : Aucune anisotropie n’a été détectée dans l’océan Indien sauf sous la station MSEY (aux Seychelles). L’isotropie en ces stations n’est peut-être qu’apparente et simplement masquée par le bruit ambiant relativement élevé. Néanmoins, la localisation de ces stations sur des édifices volcaniques peut aussi expliquer l’absence d’anisotropie par un effet perturbateur du point chaud ayant donné naissance à ces îles.

Présence de deux couches d’anisotropie : Les mesures effectuées à la station KIP à Hawaii et des modélisations de structures anisotropes à deux couches suggèrent la présence d’une couche supérieure avec une anisotropie parallèle à la direction de la zone de fracture Molokai, c’est-à-dire également parallèle à la paléo-direction d’expansion (et non de l’ancien mouvement absolu des plaques comme l’on aurait pu s’y attendre) et d’une couche inférieure avec un axe rapide orienté NW-SE, parallèle au mouvement absolu actuel de la plaque Pacifique. Ce type de signature a été retrouvé dans le Pacifique Sud grâce aux données de l’expérience PLUME. La station SCZ en Californie est un autre exemple continental qui suggère une co-structuration de la croûte et du manteau lithosphérique : Nous avons en effet mis en évidence une couche d’anisotropie supérieure avec une direction rapide parallèle à la faille de San Andrea et une couche inférieure, avec une direction rapide EW parallèle au mouvement absolu de la plaque Nord Amérique.

Chaînes de montagnes : Un certain nombre de stations Geoscope sont localisées dans des chaînes de montagnes actives ou anciennes et suggèrent une forte co-structuration entre la croûte et le manteau sous-jacent. TAM dans le Hoggar est l’exemple le plus significatif. Nous avons montré que les mesures sont compatibles avec la présence de deux couches anisotropes : une couche supérieure (probablement lithosphérique) avec un axe rapide NS (parallèle aux structures panafricaines dans cette région) et une couche d’anisotropie sous-jacente (probablement asthénosphérique) orientée NE-SW, parallèle au mouvement absolu de la plaque orienté N045°E (Gripp & Gordon, 1990). Les directions rapides mesurées aux stations SEY en Russie et WUS en Chine montrent un bon parallélisme avec les directions des chaînes Paléozoïque de Verkoyansk et celle active du Tien Shan, suggérant que le manteau supérieur à l’aplomb de ces stations a été affecté de façon pénétrative par ces orogènes.

Rifts : Les fortes anisotropies observées à ATD et à KMBO et leur parallélisme avec la direction du rift Est-Africain suggère qu’il existe un fluage mantellique actuel lié à cette tectonique. Néanmoins, cette direction est proche de la direction des structures crustales panafricaines, mais également du mouvement absolu de la plaque Afrique, ce qui pourrait également indiquer la présence d’une anisotropie lithosphérique et/ou déformation asthénosphérique induite par le mouvement de la plaque Afrique vers le NE.
Bien que certains auteurs interprètent ce parallélisme uniquement en terme de contrainte régionale extensive et d’orientation de poches de liquide créées par la fusion partielle dans le manteau ascendant sous le rift (Gao et al., 1997), nous avons montré (Vauchez et al., 1999) que des fabriques pénétratives de manteau peuvent persister dans des conditions de fluage asthénosphérique.

Des modélisations prenant en compte des fabriques issues de déformation asthénosphérique (échantillonnées sur l’île de Zabargad) et la présence de fusion partielle de la roche nous ont permis de quantifier les effets respectifs des fabriques et du liquide orienté (Vauchez et al., 2000). Les déphasages mesurés dans le rift africain résultent donc probablement de l’effet conjugué d’un fluage asthénosphérique actuel accompagné de fusion partielle, et canalisé dans la déchirure d’une lithosphère pré-structurée.

Articles liés à ce travail

Barruol, G. et Hoffmann, R. Seismic anisotropy beneath the Geoscope stations from SKS splitting. J. Geophys. Res., 104, 10757-10774, 1999.

Barruol, G., and W. Ben Ismail, Upper mantle anisotropy beneath the af rican IRIS and Geoscope stations, Geophys. J. Int., 146, 540-561, 2001.

Vauchez, A., Barruol, G. et Nicolas, A., Comment on "SKS splitting in rift zones", J. Geophys. Res., 104, 10787-10790, 1999.

documents disponibles

Tableau des événements utilisés pour les mesures de déphasage des ondes SKS
Tableau des mesures individuelles de déphasage des ondes SKS aux stations Geoscope
Tableau 1 : localisation des stations et résultats des déphasage des ondes SKS