2.2 Influence des paramètres rhéologiques de la plaque chevauchante et du
2.2.3 Discussion des expériences où les deux plaques sont viscoélastiques
Dans un premier temps, pour discuter les résultats obtenus dans cette partie nous comparons deux à deux les essais effectués avec une viscosité du manteau négligeable (choisis de manière à ce qu’un seul paramètre varie entre les deux essais). Dans un deuxième temps, nous analysons les cas où la viscosité du manteau a une influence sur la déformation des plaques. Enfin, nous terminons par des remarques générales.
Essais ηop = ηsp= 5.1024 Pa.s et ηop = 5.1023 Pa.s/ηsp= 5.1024 Pa.s :
• À ηsp identique, la durée séparant la formation de deux plis successifs augmente avec la diminution de ηop (figures III.16a,b). La déformation importante de cette dernière lorsque sa viscosité est égale à 5.1023 Pa.s génère un retrait de la fosse de 5 cm/an en moyenne (avant
100 Ma).
• Contrairement aux expériences exposées dans la partie III.2.1, vf osse n’est plus imposée par vop mais est le résultat de l’addition de cette dernière et d’une vitesse de déformation interne de la plaque. Si la plaque supérieure se déforme de manière conséquente alors c’est vf osse qui contrôle la vitesse de subduction, donc la formation des plis [Gibert et al.,2012].
Considérons l’essai avec ηsp = 5.1024 Pa.s et ηop= 5.1023 Pa.s et la droite de régression linéaire donnant Lp en fonction du rapport vop/vsp déterminée pour des cas où la plaque est quasi- élastique (fig. III.7c). Si dans l’équation de la droite nous remplaçons vop par vf osse de cet essai (vf osse ≃ 6-7 cm/an ; vsp = 2,9 cm/an), nous obtenons un espacement prédit 2285 km ≤
Lpredit
p ≤ 2658 km km, proche de l’espacement mesuré Lp ≃ 2200 km. Cette confirme que Lp varie (linéairement) en fonction de vf osse/vspdans le cas général (plaque supérieure déformable). • La période du variation de σxx (figure III.17c) est légèrement plus grande lorsque ηop = 5.1023 Pa.s (45-50 Ma) que lorsque η
op = 5.1024 Pa.s (40 Ma). Cependant, les amplitudes semblent similaires. Cela indiquerait que, lors de la formation de plis, c’est la résistance du slab qui contrôle l’amplitude de σxx et non pas la résistance de la plaque supérieure. D’une part le pendage varie davantage lorsque la plaque plongeante est résistante et d’autre part la transmission des contraintes est plus effective dans un panneau plongeant résistant.
Essais ηop = 5.1023 Pa.s/ηsp= 5.1024 Pa.s et ηop = ηsp= 5.1023 Pa.s :
• Le nombre plus important de plis dans le cas où ηsp = 5.1023 Pa.s par rapport au cas ηsp = 5.1024 Pa.s confirme la dépendance de Lp à ηsp observée dans les essais avec une plaque supérieure quasi-élastique.
III.2 Paramètres contrôlant les plissements du slab à 660 km
plus faible de la plaque plongeante puisque le slab a, en moyenne, un pendage plus élevé. Le slab est alors étiré par effet de la gravité, ce qui a également été observé dans lapartie III.2.1
et concorde avec de précédents modèles de subduction libre [p. ex. Capitanio et al., 2009]. • L’amplitude de σxx est plus petite lorsque les deux plaques ont la même viscosité par rapport au cas où la viscosité de la plaque plongeante est d’un ordre de grandeur supérieur. Dans le cas ηsp = 5.1023 Pa.s, il n’y a plus d’alternance entre des périodes d’extension et des périodes de compression. Cependant, nous pouvons remarquer ici que l’imposition d’un coefficient de friction non-nul au contact entre les plaques aurait favorisé la compression dans la plaque supérieure [Buiter et al., 2001; Chemenda et al., 2000;Hassani et al.,1997].
• La vitesse vf osse dans les deux essais est supérieure à vop et augmente au cours du temps, d’où la distance croissante entre les plis. Nous remarquons également que, dans l’essai avec ηsp = ηop = ηsp = 5.1023 Pa.s, vf osse atteint des valeurs plus faibles que dans l’essai avec ηsp = 5.1024 Pa.s durant le retrait du slab. Ceci est également expliqué par le pendage du slab qui est, en moyenne, plus grand dans l’essai avec ηsp = 5.1023 Pa.s. Les essais avec une plaque supérieure plus fluide discutés ci-dessous confirment ce résultat.
Essais ηop = 1023 Pa.s/ηsp= 5.1024 Pa.s et ηop = 1023 Pa.s/ηsp = 5.1023 Pa.s :
• Ces deux expériences génèrent un dépôt de la plaque plongeante sur la barrière à 660 km sans formation de plis et un retrait permanent du panneau plongeant.
• vf osse passe de 2 cm/an à plus de 30 cm/an en fin d’expérience. Or, comme nous l’avons
évoqué, lorsque la plaque supérieure est très déformable, c’est vf osse qui contrôle Lp et nous pouvons donc voir ces essais avec ηop= 1023 Pa.s comme des cas où Lp est très grand vis-à-vis du temps d’étude.
• La plaque chevauchante offrant très peu de résistance, vf osse n’est plus contrôlée que par la rigidité à la flexion de la plaque plongeante (et le contraste de densité) et nous retrou- vons le cas idéal d’une subduction libre. Ainsi, le mode de subduction de l’expérience ηsp = 5.1024Pa.s/η
op= 1023Pa.s peut être assimilé au mode de subduction libre appelé Strong Retreat parRibe [2010] (ou Style I pourStegman et al.[2010], ou Régime IV pour Schellart[2008]) car le pendage moyen du slab au cours de l’expérience est entre 50◦ et 60◦. Le résultat est cohérent
avec les études précédentes en subduction libre puisque, dans celles-ci, ce mode de retrait est obtenu pour des slabs ayant une viscosité importante (et une forte flottabilité négative selon
Stegman et al. [2010]).
Dans l’expérience avec ηop= 1023 Pa.s/ηsp = 5.1023 Pa.s, le retrait de la fosse est moins rapide que dans le cas précédent et un pendage moyen du slab plus important (entre 60◦ et 80◦) est
[2010] (ou Style IV pour Stegman et al. [2010], ou Régime I pour Schellart [2008]). Les études de subduction libre invoquent en effet une faible viscosité du slab pour ce mode de subduction (et une forte flottabilité négative selon Stegman et al. [2010]). Notre résultat peut également être assimilé au mode de subduction caractérisé par un plissement puis un retrait de la fosse obtenu dans plusieurs études [Bellahsen et al.,2005;Schellart, 2008; Stegman et al., 2010]. • Il est toutefois important de remarquer que ces essais, avec une plaque supérieure faible, impliquent des contraintes extensives considérables dans la plaque chevauchante (environ 950 MPa pour l’essai ηsp = 5.1024 Pa.s/ηop = 1023 Pa.s). En outre, les vitesses de retrait de la fosse sont élevées et atteignent des valeurs supérieures à 30 cm/an alors que dans la nature ces vitesses n’excèdent pas 15-16 cm/an dans les zones de subduction actuelles [Funiciello et al.,
2008; Schellart et al., 2008]. Comme nous le montrons dans les essais avec une viscosité du manteau non-négligeable, cette résistance diminue les valeurs de vf osse.
Essais 1020 Pa.s < η
a < 5.1020 Pa.s :
• Les essais avec ηop = 5.1024 Pa.s et ηsp = 3.1023 Pa.s réalisés en variant la viscosité du manteau illustrent la résistance qu’oppose celui-ci au déplacement et à la déformation de la plaque plongeante. Non seulement les plis formés sont de plus en plus espacés en augmentant ηa, mais la variation relative d’épaisseur de la plaque plongeante en est aussi affectée : à la fin du temps d’étude un amincissement important (−30%) de la plaque subduite est constaté lorsque ηa = 1020 Pa.s alors qu’elle s’épaissit de 30% lorsque ηa = 5.1020 Pa.s.
• Les essais effectués avec ηop = 1023 Pa.s et ηsp = 5.1024 Pa.s montrent l’effet de la viscosité du manteau sur la déformation de la plaque chevauchante. La vitesse de la fosse croît entre 0 et 35 cm/an lorsque ηa = 3.1020 Pa.s alors qu’elle varie entre -1 et 5 cm/an (valeur moyenne de 2-3 cm/an) lorsque ηa= 5.1020 Pa.s.
• Les forces mantelliques ralentissent donc le retrait du slab et l’élongation de la plaque supé- rieure vf osse à être proche de vop imposée.
Remarques générales :
• Les essais impliquant une plaque supérieure peu visqueuse (ηop = 1023 Pa.s) peuvent repro- duire des modes de subduction libre. Dans ces expériences, lorsque la viscosité ηa≤ 1.1020 Pa.s, cela implique des valeurs de vf osse qui ne sont pas observées dans la nature et des contraintes extensives élevées dans la plaque chevauchante. Nous pouvons donc questionner la pertinence de l’hypothèse d’une plaque chevauchante très peu résistante conduisant à des modèles où la pré- sence de cette plaque est négligée. En effet, récemment, d’autres auteurs ont également effectué cette remarque en utilisant des modèles de subduction libre incluant un plaque chevauchante
III.2 Paramètres contrôlant les plissements du slab à 660 km
[Holt et al.,2015;Sharples et al.,2014].Holt et al.[2015] observent que l’inclusion d’une plaque supérieure diminue les vitesses de fosse d’un facteur 2 par rapport à des modèles sans plaque chevauchante. Cependant ces auteurs considèrent des plaques de faible viscosité comprise entre 1022 et 2.1023 Pa.s (par rapport à un manteau supérieur de viscosité égale à 1020 Pa.s) et ob-
servent peu de déformation interne de la plaque supérieure lorsque ηop = ηsp = 2.1023 Pa.s malgré un contraste de densité similaire à celui utilisé dans notre étude (∆ρ = 50 kg.m−3).
Le retrait de la fosse est donc probablement accommodée par le déplacement (« libre ») de la plaque supérieure.
• Les différentes expériences que nous avons réalisées ont mis en évidence deux paramètres qui diminuent la déformation de la plaque chevauchante dans notre modèle de subduction.
- Le premier est la viscosité de la plaque plongeante : des panneaux plongeants de faible viscosité (< 5.1023 Pa.s) génèrent valeurs de σ
xx modérées.
Diverses estimations de la viscosité moyenne des lithosphères plongeantes prédisent, en effet, des valeurs aux alentours de 1023 Pa.s [Capitanio et al., 2009; Conrad et Hager,
1999; Funiciello et al., 2003b; Wu et al., 2008]. Pourtant, des études numériques pré- disent une viscosité, notamment au cœur de la plaque plongeante, atteignant 1025 Pa.s
[Billen et Hirth,2007;Capitanio et Morra,2012;Garel et al.,2014;Quinteros et al.,2010] jusqu’à 600 km de profondeur. Par ailleurs, des essais en laboratoire sur des grains d’oli- vine ont suggéré que la lithosphère devait avoir une viscosité comprise entre 5.1022 Pa.s
et 1024 Pa.s entre 100 et 400 km de profondeur [Hirth et Kohlstedt, 2003] (cf. fig.I.14b).
- Le deuxième paramètre est la viscosité du manteau qui influence de manière conséquente notre modèle. Ainsi lorsque ηop = 1023 Pa.s et ηa ≤ 3.1020 Pa.s, la fosse recule avec des vitesses irréalistes et le slab est en retrait permanent, tandis qu’un manteau de viscosité supérieure 3.1020 Pa.s contraint v
f osse à des valeurs plus réalistes et un pli se forme. Les
estimations de la viscosité moyenne du manteau supérieur prédisent pourtant des valeurs entre 5.1019 Pa.s jusqu’à 1021 Pa.s (cf. partie I.1.2.2).
• Enfin, il paraît important de remarquer que les modèles de subduction libre sans plaque supé- rieure ont discriminé au maximum cinq styles de subduction (fig.III.1) parmi lesquels ne figure pas de style de subduction caractérisé par un dépôt de la face inférieure du slab avec retrait de la fosse et la formation de plissements (cycliques). Outre l’imposition de conditions cinématiques sur les plaques, les plissements du slab sur la discontinuité à 660 km de profondeur pourraient être aussi une conséquence de la présence d’une plaque supérieure suffisamment résistante. Dans un modèle numérique 3D de subduction libre incluant la présence d’une plaque chevauchante,
Schellart et Moresi [2013] ont observé également observé la formation d’un plissement du slab après que le panneau plongeant soit ancré à 660 km.
3 Influence de la viscosité du manteau supérieur sur le
régime cyclique de plis : application au cas de la sub-
duction Andine
Dans cette partie, il s’agit d’étudier uniquement l’influence de la viscosité du manteau supérieur dans un modèle de subduction avec plissements du panneau plongeant en fixant tous les autres paramètres. Nous décrivons également la dynamique du manteau dans ce contexte. Nous appliquons ce modèle à la subduction andine où la cyclicité du régime tectonique dans la plaque supérieure (plaque sud-américaine) est relativement contrainte (voir partie I.3). Ce travail a fait l’objet d’une publication [Cerpa et al., 2014] (en annexe) où une discussion sur l’application géodynamique aux Andes a été menée.