Geophysical signature of the alpine slab : field analogues and direct models

Des images géophysiques récentes dans les Alpes montrent une signature sismique particulière du sommet du panneau plongeant crustal à 40 km de profondeur. Une augmentation de vitesse brutale des ondes S est corrélée à une forte probabilité de présence de contraste d’interface dans la tomographie et à une conversion négative dans les données « stackée » des fonctions-récepteur. Le but de cette thèse est d’évaluer si des changements de minéralogie et de texture de la croûte continentale inférieure peuvent expliquer cette signature sismique. Pour cela, nous avons calculé les variations de vitesses sismiques « bulk », générées par les changements minéralogiques durant l’enfouissement de roches représentatives de la croûte inférieure européenne le long de profils pression-température typiques de zone de convergence. Nous avons étudié l’évolution de l’anisotropie des mêmes roches à l’échelle macroscopique en fonction de la pression et la température, à partir de mesures directes. Ces mesures ont été comparées aux calculs d’anisotropie couramment effectués à partir de cartographies d’orientations cristallographiques à l’échelle de la lame mince. Le but ultime de ces exercices est de comprendre quelles propriétés contrôlent les vitesses sismiques effectives des roches à l’échelle kilométrique. Nous avons finalement tenté de déceler, à cette dernière échelle, l’anisotropie des roches dans les données de fonctions-récepteur à partir de leur décomposition harmonique. Nous montrons que la transformation des roches du faciès des amphibolites à celui des granulites de haute pression permet d’expliquer l’augmentation de vitesse du modèle tomographique et que ce front est décalé d’une dizaine de kilomètre le long du panneau plongeant en comparaison des prédictions thermodynamiques. A travers une modélisation thermocinétique de zone de convergence, nous évaluons le profil thermique du panneau plongeant lors du passage de la subduction à la collision et expliquons ce décalage par des effets cinétiques. Les mesures directes comparées aux calculs d’anisotropie indiquent que la différence attendue entre anisotropie intrinsèque et effective est plus importante dans les roches du faciès des amphibolites, où litage et CPO se renforcent, que dans celles du faciès des granulites où l’anisotropie résulte surtout de l’anisotropie intrinsèque. A l’échelle kilométrique, la transformation amphibolite vers granulite est susceptible de s’accompagner d’une diminution de l’anisotropie, en plus d’une augmentation de vitesse. A travers la décomposition harmonique, nous montrons que la baisse de visibilité du réflecteur associé au Moho, aux stations à l’aplomb du panneau plongeant, se fait au profit de la mise en évidence d’une direction rapide intra- panneau plongeant et orientée perpendiculairement à son pendage. Puisque cette transformation est visible tant dans les données de fonctions- récepteur que dans les modèles de tomographie, nous en déduisons que l’épaisseur du front de réaction est de l’ordre du kilomètre.Recent geophysical images in the Alps show a distinctive seismic signature of the top of the crustal dipping panel at 40 km depth. A sharp increase in S-wave velocity is correlated with a high probability of interface contrast in tomography and negative conversion in stacked receiver- function data. The aim of this thesis is to assess if changes in the mineralogy and textural properties of the lower continental crust can explain this seismic signature. To this end, we calculated bulk seismic velocity variations, generated by mineralogical changes during burial of rocks representative of the European lower crust along pressure- temperature profiles typical of convergence zones. We studied the evolution of the macroscopic anisotropy of the same rocks as a function of pressure and temperature, using direct measurements. These measurements are compared with anisotropy calculations commonly performed from thin- section crystallographic orientation maps. The ultimate aim of these exercises is to understand which properties control the effective seismic velocities of rocks at kilometer scale. Finally, we have attempted to detect the anisotropy of rocks at this latter scale in receiver-function data from their harmonic decomposition. We show that the transformation of rocks from amphibolite to high-pressure granulite facies explains the increase in velocity of the tomographic model, and that this front is shifted by around ten kilometers along the slab, compared with thermodynamic predictions. Using thermokinetic modelling of convergence zones, we evaluate the thermal profile of the dipping panel during the transition from subduction to collision, and explain this offset by kinetic effects. Direct measurements compared with anisotropy calculations indicate that the expected difference between intrinsic and effective anisotropy is greater in amphibolite facies rocks, where layering and CPO are enhanced, than in granulite facies rocks, where anisotropy results mainly from intrinsic anisotropy. At kilometer scale, amphibolite-to-granulite transformation is likely to be accompanied by a decrease in anisotropy in addition to an increase in velocity. Through harmonic decomposition, we show that the reduced visibility of the Moho, at stations above the dipping panel, is to the benefit of highlighting a fast intra-slab direction oriented perpendicular to its dip. Since this transformation is visible both in the receiver-function data and in the tomography models, we deduce that the thickness of the reaction front is of the order of a kilometer

Signature géophysique du panneau plongeant alpin : analogues de terrain et modèles directs

Recent geophysical images in the Alps show a distinctive seismic signature of the top of the crustal dipping panel at 40 km depth. A sharp increase in S-wave velocity is correlated with a high probability of interface contrast in tomography and negative conversion in stacked receiver- function data. The aim of this thesis is to assess if changes in the mineralogy and textural properties of the lower continental crust can explain this seismic signature. To this end, we calculated bulk seismic velocity variations, generated by mineralogical changes during burial of rocks representative of the European lower crust along pressure- temperature profiles typical of convergence zones. We studied the evolution of the macroscopic anisotropy of the same rocks as a function of pressure and temperature, using direct measurements. These measurements are compared with anisotropy calculations commonly performed from thin- section crystallographic orientation maps. The ultimate aim of these exercises is to understand which properties control the effective seismic velocities of rocks at kilometer scale. Finally, we have attempted to detect the anisotropy of rocks at this latter scale in receiver-function data from their harmonic decomposition. We show that the transformation of rocks from amphibolite to high-pressure granulite facies explains the increase in velocity of the tomographic model, and that this front is shifted by around ten kilometers along the slab, compared with thermodynamic predictions. Using thermokinetic modelling of convergence zones, we evaluate the thermal profile of the dipping panel during the transition from subduction to collision, and explain this offset by kinetic effects. Direct measurements compared with anisotropy calculations indicate that the expected difference between intrinsic and effective anisotropy is greater in amphibolite facies rocks, where layering and CPO are enhanced, than in granulite facies rocks, where anisotropy results mainly from intrinsic anisotropy. At kilometer scale, amphibolite-to-granulite transformation is likely to be accompanied by a decrease in anisotropy in addition to an increase in velocity. Through harmonic decomposition, we show that the reduced visibility of the Moho, at stations above the dipping panel, is to the benefit of highlighting a fast intra-slab direction oriented perpendicular to its dip. Since this transformation is visible both in the receiver-function data and in the tomography models, we deduce that the thickness of the reaction front is of the order of a kilometer.Des images géophysiques récentes dans les Alpes montrent une signature sismique particulière du sommet du panneau plongeant crustal à 40 km de profondeur. Une augmentation de vitesse brutale des ondes S est corrélée à une forte probabilité de présence de contraste d’interface dans la tomographie et à une conversion négative dans les données « stackée » des fonctions-récepteur. Le but de cette thèse est d’évaluer si des changements de minéralogie et de texture de la croûte continentale inférieure peuvent expliquer cette signature sismique. Pour cela, nous avons calculé les variations de vitesses sismiques « bulk », générées par les changements minéralogiques durant l’enfouissement de roches représentatives de la croûte inférieure européenne le long de profils pression-température typiques de zone de convergence. Nous avons étudié l’évolution de l’anisotropie des mêmes roches à l’échelle macroscopique en fonction de la pression et la température, à partir de mesures directes. Ces mesures ont été comparées aux calculs d’anisotropie couramment effectués à partir de cartographies d’orientations cristallographiques à l’échelle de la lame mince. Le but ultime de ces exercices est de comprendre quelles propriétés contrôlent les vitesses sismiques effectives des roches à l’échelle kilométrique. Nous avons finalement tenté de déceler, à cette dernière échelle, l’anisotropie des roches dans les données de fonctions-récepteur à partir de leur décomposition harmonique. Nous montrons que la transformation des roches du faciès des amphibolites à celui des granulites de haute pression permet d’expliquer l’augmentation de vitesse du modèle tomographique et que ce front est décalé d’une dizaine de kilomètre le long du panneau plongeant en comparaison des prédictions thermodynamiques. A travers une modélisation thermocinétique de zone de convergence, nous évaluons le profil thermique du panneau plongeant lors du passage de la subduction à la collision et expliquons ce décalage par des effets cinétiques. Les mesures directes comparées aux calculs d’anisotropie indiquent que la différence attendue entre anisotropie intrinsèque et effective est plus importante dans les roches du faciès des amphibolites, où litage et CPO se renforcent, que dans celles du faciès des granulites où l’anisotropie résulte surtout de l’anisotropie intrinsèque. A l’échelle kilométrique, la transformation amphibolite vers granulite est susceptible de s’accompagner d’une diminution de l’anisotropie, en plus d’une augmentation de vitesse. A travers la décomposition harmonique, nous montrons que la baisse de visibilité du réflecteur associé au Moho, aux stations à l’aplomb du panneau plongeant, se fait au profit de la mise en évidence d’une direction rapide intra- panneau plongeant et orientée perpendiculairement à son pendage. Puisque cette transformation est visible tant dans les données de fonctions- récepteur que dans les modèles de tomographie, nous en déduisons que l’épaisseur du front de réaction est de l’ordre du kilomètre

Signature géophysique du panneau plongeant alpin : analogues de terrain et modèles directs

Recent geophysical images in the Alps show a distinctive seismic signature of the top of the crustal dipping panel at 40 km depth. A sharp increase in S-wave velocity is correlated with a high probability of interface contrast in tomography and negative conversion in stacked receiver- function data. The aim of this thesis is to assess if changes in the mineralogy and textural properties of the lower continental crust can explain this seismic signature. To this end, we calculated bulk seismic velocity variations, generated by mineralogical changes during burial of rocks representative of the European lower crust along pressure- temperature profiles typical of convergence zones. We studied the evolution of the macroscopic anisotropy of the same rocks as a function of pressure and temperature, using direct measurements. These measurements are compared with anisotropy calculations commonly performed from thin- section crystallographic orientation maps. The ultimate aim of these exercises is to understand which properties control the effective seismic velocities of rocks at kilometer scale. Finally, we have attempted to detect the anisotropy of rocks at this latter scale in receiver-function data from their harmonic decomposition. We show that the transformation of rocks from amphibolite to high-pressure granulite facies explains the increase in velocity of the tomographic model, and that this front is shifted by around ten kilometers along the slab, compared with thermodynamic predictions. Using thermokinetic modelling of convergence zones, we evaluate the thermal profile of the dipping panel during the transition from subduction to collision, and explain this offset by kinetic effects. Direct measurements compared with anisotropy calculations indicate that the expected difference between intrinsic and effective anisotropy is greater in amphibolite facies rocks, where layering and CPO are enhanced, than in granulite facies rocks, where anisotropy results mainly from intrinsic anisotropy. At kilometer scale, amphibolite-to-granulite transformation is likely to be accompanied by a decrease in anisotropy in addition to an increase in velocity. Through harmonic decomposition, we show that the reduced visibility of the Moho, at stations above the dipping panel, is to the benefit of highlighting a fast intra-slab direction oriented perpendicular to its dip. Since this transformation is visible both in the receiver-function data and in the tomography models, we deduce that the thickness of the reaction front is of the order of a kilometer.Des images géophysiques récentes dans les Alpes montrent une signature sismique particulière du sommet du panneau plongeant crustal à 40 km de profondeur. Une augmentation de vitesse brutale des ondes S est corrélée à une forte probabilité de présence de contraste d’interface dans la tomographie et à une conversion négative dans les données « stackée » des fonctions-récepteur. Le but de cette thèse est d’évaluer si des changements de minéralogie et de texture de la croûte continentale inférieure peuvent expliquer cette signature sismique. Pour cela, nous avons calculé les variations de vitesses sismiques « bulk », générées par les changements minéralogiques durant l’enfouissement de roches représentatives de la croûte inférieure européenne le long de profils pression-température typiques de zone de convergence. Nous avons étudié l’évolution de l’anisotropie des mêmes roches à l’échelle macroscopique en fonction de la pression et la température, à partir de mesures directes. Ces mesures ont été comparées aux calculs d’anisotropie couramment effectués à partir de cartographies d’orientations cristallographiques à l’échelle de la lame mince. Le but ultime de ces exercices est de comprendre quelles propriétés contrôlent les vitesses sismiques effectives des roches à l’échelle kilométrique. Nous avons finalement tenté de déceler, à cette dernière échelle, l’anisotropie des roches dans les données de fonctions-récepteur à partir de leur décomposition harmonique. Nous montrons que la transformation des roches du faciès des amphibolites à celui des granulites de haute pression permet d’expliquer l’augmentation de vitesse du modèle tomographique et que ce front est décalé d’une dizaine de kilomètre le long du panneau plongeant en comparaison des prédictions thermodynamiques. A travers une modélisation thermocinétique de zone de convergence, nous évaluons le profil thermique du panneau plongeant lors du passage de la subduction à la collision et expliquons ce décalage par des effets cinétiques. Les mesures directes comparées aux calculs d’anisotropie indiquent que la différence attendue entre anisotropie intrinsèque et effective est plus importante dans les roches du faciès des amphibolites, où litage et CPO se renforcent, que dans celles du faciès des granulites où l’anisotropie résulte surtout de l’anisotropie intrinsèque. A l’échelle kilométrique, la transformation amphibolite vers granulite est susceptible de s’accompagner d’une diminution de l’anisotropie, en plus d’une augmentation de vitesse. A travers la décomposition harmonique, nous montrons que la baisse de visibilité du réflecteur associé au Moho, aux stations à l’aplomb du panneau plongeant, se fait au profit de la mise en évidence d’une direction rapide intra- panneau plongeant et orientée perpendiculairement à son pendage. Puisque cette transformation est visible tant dans les données de fonctions- récepteur que dans les modèles de tomographie, nous en déduisons que l’épaisseur du front de réaction est de l’ordre du kilomètre

Geophysical signature of the alpine slab: Field analogues and direct models

International audienc

Assessing Chemical and Mineralogical Properties of the Alpine Slab Based on Field Analogs and Ambient Noise Tomography

International audienceRecent geophysical campaigns in the Alps produce images with seismic property variations along the slab of sufficiently fine resolution to be interpreted as rock transformations. Since the reacting European lower crust is presumed responsible for the variations of velocities at the top of the Alpine slab, we sampled local analogs of the lower crustal lithologies in the field and modeled the evolution of equilibrium seismic properties during burial, along possible pressure‐temperature paths for the crustal portion of the slab. The results are then compared to the range of the S ‐wave velocities obtained from the S ‐wave velocity tomography model along the CIFALPS transect. The velocity increase from 25 to 45 km within the slab, in the tomographic model is best reproduced by the transformation of specific lithologies in the high‐pressure granulite facies along a collisional gradient (30°C/km). Although the crust is certainly not completely homogeneous, the best candidates for the rocks that make up the top of the Alpine dip crustal panel are a kinzigite from Monte San Petrone, a gneiss from the Insubric line, and blueschist mylonite from Canavese. While they may not represent the entirety of the crust, they are sufficient to explain the tomographic velocity of the Alpine slab. A lateral lithological contrast inherited from the Variscan orogeny is not required. Eclogitization, suggested as the first‐order transformation in convergence zones, could be a second‐order transformation in collisional wedges. These results also imply a partially re‐equilibrated thermal gradient, consistent with the Alpine thermal state data at depth

Bulk chemical composition of rock samples used to calculate their seismic velocity at lower crustal conditions

These data are linked to a published study, whose aim is to compare the seismic velocity variations, derived from tomographic models (here the CIFALPS profile in the Alps, derived from Nouibat et al., 2022) and interpreted as rock transformations, with the seismic velocities of field samples. One way to predict seismic velocity at lower crustal conditions is to consider natural rocks as isotropic and to calculate their seismic properties from the relative abundance of mineral phases using their acknowledged properties (Abers and Hacker, 2016). In this process, the bulk chemical composition of the samples constitutes the starting data for this study. The subsequent work is based solely on thermodynamic models (here mainly using Holland and Powel, 1998 database) and the physical properties of the mineral phases (database from Abers and Hacker, 2016)