7 avril, 2017
Sous l’océan, des plaques tectoniques massives convergent et s’écrasent les unes contre les autres, ce qui les entraîne les unes sous les autres. Cette puissante collision, appelée subduction, est responsable de la formation d’arcs volcaniques qui abritent certains des événements géologiques les plus spectaculaires de la Terre, tels que des éruptions volcaniques explosives et des mégaséismes.
Une nouvelle étude publiée dans la revue Science Advances modifie notre compréhension de la formation des laves des arcs volcaniques et pourrait avoir des implications pour l’étude des séismes et des risques d’éruption volcanique.
Les chercheurs dirigés par la Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI) ont découvert un processus jusqu’alors inconnu impliquant la fusion de roches métamorphiques intensément mélangées – connues sous le nom de roches de mélange – qui se forment sous l’effet d’une forte contrainte pendant la subduction à la limite entre le socle et le manteau.
Jusqu’à présent, on a longtemps pensé que la formation de la lave commençait par une combinaison de fluides provenant d’une plaque tectonique subduite, ou dalle, et de sédiments fondus qui percolaient ensuite dans le manteau. Une fois dans le manteau, ils se mélangeraient et déclencheraient une plus grande fusion, pour finalement faire éruption à la surface.
« Notre étude montre clairement que le modèle dominant de fusion fluide/sédiments ne peut pas être correct », déclare Sune Nielsen, géologue au WHOI et auteur principal de l’article. « C’est significatif car presque toutes les interprétations des données géochimiques et géophysiques sur les zones de subduction depuis deux décennies sont basées sur ce modèle. »
Au contraire, ce que Nielsen et son collègue ont découvert, c’est que le mélange est en fait déjà présent au sommet de la dalle avant que le mélange avec le manteau ait lieu.
« Cette étude montre – pour la première fois – que la fusion du mélange est le principal moteur de l’interaction entre la dalle et le manteau », déclare Nielsen.
C’est une distinction importante car les scientifiques utilisent des mesures d’isotopes et d’éléments traces pour déterminer les compositions des laves d’arc et mieux comprendre cette région critique des zones de subduction. Le moment et l’endroit où se produisent le mélange, la fusion et la redistribution des éléments traces génèrent des rapports de signature isotopique très différents.
L’étude s’appuie sur un précédent article du collègue et coauteur de Nielsen, Horst Marschall, de l’Université Goethe de Francfort, en Allemagne. Sur la base d’observations sur le terrain d’affleurements de mélanges, Marschall a noté que des blobs de matériaux de mélange de faible densité, appelés diapirs, pourraient s’élever lentement de la surface de la dalle en subduction et transporter les matériaux bien mélangés dans le manteau sous les volcans en arc.
« Le modèle mélange-diapir a été inspiré par des modèles informatiques et par des travaux de terrain détaillés dans diverses parties du monde où des roches qui proviennent de l’interface profonde dalle-manteau ont été amenées à la surface par des forces tectoniques », explique Marschall. « Nous discutons de ce modèle depuis au moins cinq ans maintenant, mais de nombreux scientifiques pensaient que les roches de mélange ne jouaient aucun rôle dans la génération des magmas. Ils ont rejeté le modèle comme une ‘géo-fantaisie’. »
Dans leurs nouveaux travaux, Nielsen et Marschall ont comparé les rapports de mélange des deux modèles avec des données chimiques et isotopiques provenant d’études publiées sur huit arcs volcaniques représentatifs au niveau mondial : Mariannes, Tonga, Petites Antilles, Aléoutiennes, Ryukyu, Scotia, Kouriles et Sunda.
« Notre analyse à grande échelle montre que le modèle de mélange s’adapte presque parfaitement aux données de la littérature dans tous les arcs du monde, tandis que les lignes de mélange sédiment/fluide dominantes tracent loin des données réelles », explique Nielsen.
Comprendre les processus qui se produisent dans les zones de subduction est important pour de nombreuses raisons. Souvent qualifiées de moteur de la planète, les zones de subduction sont les principales zones où l’eau et le dioxyde de carbone contenus dans les anciens fonds marins sont recyclés dans les profondeurs de la Terre, jouant des rôles critiques dans le contrôle du climat à long terme et l’évolution du bilan thermique de la planète.
Ces processus complexes se produisent à des échelles de dizaines à des milliers de kilomètres sur des mois à des centaines de millions d’années, mais peuvent générer des tremblements de terre catastrophiques et des tsunamis mortels qui peuvent se produire en quelques secondes.
« Une grande fraction des risques volcaniques et sismiques de la Terre est associée aux zones de subduction, et certaines de ces zones sont situées près des endroits où vivent des centaines de millions de personnes, comme en Indonésie », explique Nielsen. « Comprendre les raisons pour lesquelles et où les tremblements de terre se produisent, dépend de la connaissance ou de la compréhension du type de matériau réellement présent en bas et des processus qui s’y déroulent. »
L’équipe de recherche affirme que les résultats de l’étude appellent à une réévaluation des données précédemment publiées et à une révision des concepts relatifs aux processus des zones de subduction. Parce que les roches de mélange ont été largement ignorées, on ne sait presque rien de leurs propriétés physiques ou de la gamme de températures et de pressions auxquelles elles fondent. Les études futures visant à quantifier ces paramètres sont susceptibles d’apporter un éclairage encore plus important sur le rôle du mélange dans les zones de subduction et le contrôle qu’il exerce sur la génération des séismes et le volcanisme des zones de subduction.
Ce travail a été financé par une subvention de la National Science Foundation Division of Earth Sciences.
La Woods Hole Oceanographic Institution est une organisation privée à but non lucratif située à Cape Cod, dans le Massachusetts, qui se consacre à la recherche marine, à l’ingénierie et à l’enseignement supérieur. Fondée en 1930 sur une recommandation de la National Academy of Sciences, sa mission principale est de comprendre l’océan et son interaction avec la Terre dans son ensemble, et de communiquer une compréhension de base du rôle de l’océan dans l’environnement mondial en mutation. Pour plus d’informations, veuillez consulter le site www.whoi.edu.