Mots clés : subduction, géométrie arquée, ondulation latérale, rayon de courbure, vitesse rétrograde, lithosphère océanique, asthénosphère

Géométrie d'une zone de subduction

Pierre Thomas

ENS Lyon

Laurent Guillou-Frottier

BRGM

Benoît Urgelli

ENS Lyon / DGESCO

15/03/2003

Résumé

La géométrie, arquée ou linéaire, des zones de subduction.


Question

Objet  : subduction Date  : Ven, 5 Mars 2003 17:07:08 De  : K. R.

« Pourquoi la majorité des subduction ont-elles (cartographiquement) une forme arquée et non pas linéaire ? »

Réponse

La subduction est un phénomène complexe. La question qui est posée est "simple" et ne concerne que la géométrie de surface des zones de subduction. Quoi qu'il en soit, notez que l'on est loin de tout comprendre et de tout expliquer.

Donc plusieurs niveaux de réponse.

  • La raison principale est géométrique (analogie avec la déformation de l'écorce d'une orange, subduction en 3D dans une sphère). La forme arquée résulte d'une conséquence naturelle du plongement d'un panneau rigide dans une sphère. Selon une étude japonaise, la succession d'arcs en surface est le résultat de l'ondulation latérale du panneau profond.
  • Le fait que différents rayons de courbures soient observés montre que chaque cas est différent. Un grand nombre de paramètres entrent en jeu dans la courbure en surface : force de traction, âge (ou épaisseur) de la plaque, ainsi que les variations latérales de la vitesse rétrograde. Les variations de vitesse rétrograde se traduisent en surface par un arc dont la convexité est toujours dirigée vers la plaque subductante. Le recul de la zone de subduction peut modifier (et souvent augmenter) le rayon de courbure.
  • Un troisième niveau de réponse précise que la géométrie arquée n'est pas totalement dominante . En effet, certaines zones de subduction ne sont pas arquées, lorsqu'elles plongent sous le continent adjacent par exemple (cas de l'Amérique du Sud). D'autres zones de subduction rectiligne, comme la fosse de Tonga, nécessitent une autre explication.

Une explication géométrique pour l'arc de subduction

Quand on plie une coque sphérique, la pliure est géométriquement un arc de cercle. Il suffit pour s'en convaincre de plier un ballon dégonflé, ou d'essayer de plier une demi-peau d'orange pressée.

La forme arquée est donc suggérée comme provenant de la courbure d'une sphère qu'on écrase (image de la balle de ping-pong), mais on sait bien également que plusieurs zones de subduction ne montrent pas la même courbure, et que certaines sont au contraire plutôt "linéaires" (subductions à la bordure Ouest de l'Amérique du Sud).

La proposition d'une équipe de recherche japonaise (Fukao,Y. et al., 1987) a l'originalité de relier dans un schéma 3D les caractéristiques de surface (les formes arquées) et l' ondulation latérale du panneau plongeant. En fait, les courbures observées en surface ne sont qu'une partie d'un phénomène tri-dimensionnel, relié à la déformation d'une coquille sphérique plongeant vers l'intérieur d'une sphère (la lithosphère océanique subductant dans le manteau).

Figure 3. Zone de subduction, bordure Ouest du Pacifique

Zone de subduction, bordure Ouest du Pacifique

Bien entendu, chaque zone de subduction est différente et la tectonique des « coquilles sphériques » dépend également de l'épaisseur de la coquille (et donc de l'âge de la lithosphère), de la longueur du segment qui plonge, mais aussi de la charge guidant la plongée (densité de la plaque, ou/et force de traction du panneau plongeant (slab) déjà subducté.)

Une explication des différents rayons de courbure : le recul de la plaque océanique

Une zone de subduction a tendance à migrer du côté de la plaque océanique qui subducte. Comment expliquer ce phénomène ? Une plaque océanique entre en subduction parce qu'elle est plus dense que l'asthénosphère sous-jacente. Deux mécanismes extrêmes d'enfoncement de la plaque peuvent être pris en compte :

  • Dans le cas d'une lithosphère océanique jeune et légère (première solution).

    Il y a glissement de toute la plaque océanique sur l'asthénosphère et la zone de subduction est fixe. Il y a un maximum de frottement et de déformation à la limite lithosphère-asthénosphère ; par contre, l'asthénosphère reste globalement immobile.

Figure 4. Glissement de la plaque océanique sur l'asthénosphère

Glissement de la plaque océanique sur l'asthénosphère

  • Dans le cas d'une lithosphère océanique âgée et lourde (deuxième solution).

    La deuxième solution laisse la plaque immobile et c'est la zone de flexure-subduction qui recule et migre vers l'océan. Le résultat est le même (la plaque dense s'enfonce), mais sans migration horizontale. C'est l'asthénosphère sous la lithosphère océanique qui, dans ce cas là, est repoussée (vers la droite dans le schéma). Des frottements et déformations sont ici aussi présents, à la limite entre la lithosphère océanique et l'asthénosphère sous-jacente.

    À cela s'ajoute la convection asthénosphèrique induite d'arrière arc, qui a aussi tendance à faire migrer la subduction vers l'océan. Ce recul de la plaque n'ayant aucune raison d'être partout égale, il se forme des arcs, dont la convexité est toujours dirigée vers la plaque océanique subductante.

    Remarque : cette migration de la subduction vers l'océan peut entraîner à sa suite la plaque supérieure. C'est ce qui peut expliquer par exemple la migration vers l'ouest de l'Amérique et l'ouverture de l'Atlantique, océan qui s'ouvre sans subduction.

Figure 5. Retrait de la lithosphère océanique : cas de la fosse des Mariannes

Retrait de la lithosphère océanique : cas de la fosse des Mariannes

bibliographie

Fukao,Y., K. Yamaoka, et T. Sakurai, Spherical shell tectonics : buckling of subducting lithosphere , Physics of the Earth and Planetary Interiors, 45, 59-67, 1987. doi :10.1016/0031-9201(87)90197-X

Mots clés : subduction, géométrie arquée, ondulation latérale, rayon de courbure, vitesse rétrograde, lithosphère océanique, asthénosphère