Structure sismique de la zone de subduction des Petites Antilles (implications sur les dimensions de la zone sismogène interplaque)

Abstract

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, et 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 événement. 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. L'interprétation conjointe des modèles tomographiques et des localisations des séismes a permis, dans un second temps, d'affiner cette estimation. La répartition des épicentres montre en effet une sismicité qui se concentre pour l'essentiel sous une portion de l'avant-arc plus rigide présentant des vitesses plus rapides. La limite amont de la zone sismogène serait donc plus profonde que la position du butoir car elle se situe en retrait de ce dernier. Plus en profondeur, des séismes interplaque observés entre 35 et 45 km marquent la limite aval de la zone sismogène. Celle-ci pourrait ainsi atteindre une profondeur jusqu'à 10 km sous la jonction du Moho et de l'interplaque et, par conséquent, se trouver au contact du manteau lithosphérique. Ces résultats suggèrent une extension en profondeur importante de la zone sismogène qui pourrait atteindre une largeur de prés 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 de la zone sismogène devra être précisé ainsi que l'extension latérale de celle-ci en tenant compte d'une éventuelle segmentation liée, par exemple, à l'entrée en subduction de rides océaniques.The Lesser Antilles is a case study of a very slow subduction (_2 cm/yr) of an old oceanic lithosphere (_84-100Ma). 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 seismogenic 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 shows indeed that seismicity concentrates beneath the rigid part of the forearc, where higher velocities are observed. The updip limit of the seimogenic zone would then lie deeper than the backstop's depth as seismicity locates it further arcward. At depth, interplate earthquakes observed between 35 and 45 km depth reveal the downdip limit of the seismogenic zone. The latter would reach a depth over 10 km deeper than the contact of the Moho and the interplate, suggesting it lies at the contact of the interplate with 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 or the possible segmentation of the seismogenic zone due to, fro instance, the subduction of oceanic ridges.NICE-BU Sciences (060882101) / SudocSudocFranceF