Etude de la sismicité en coupe

La géométrie profonde de la plaque plongeante étant particulièrement difficile à résoudre dans le do-maine Tonga, nous avons analysé la distribution de la sismicité à partir du catalogue d’Engdahl [Engdahl et al., 1998], auquel nous avons appliqué la méthode d’effondrement décrite au chapitre précédent [Bossu, 2000]. La méthode "d’effondrement" nous a permis de mettre en évidence des structures sismologiques majeures. Nous avons testé plusieurs rayons pour la sphère d’effondrement, qui doit être normalement proportionnelle au volume d’incertitude autour d’un hypocentre, afin de vérifier que les informations prin-cipales n’étaient ni perdues, ni fortement modifiées par une mauvaise pondération des données. Un rayon de 30 km a finalement été retenu. Nous avons ensuite levé des coupes à chaque degré de latitude, perpendi-culairement aux structures tectoniques de surface et aux structures sismologiques de la plaque plongeante. Les résultats sont présentés en figures VIII.2 et VIII.3. Plusieurs caractéristiques communes apparaissent sur ces coupes :

(1) Les lacunes sismiques préalablement observées en carte (fig. VIII.1) sont clairement identifiables sur la grande majorité des coupes du domaine Tonga (de 15^◦S à 28^◦S), car elles isolent la partie supérieure de la plaque plongeante (0-300 km) de sa partie profonde (300-700 km). Une variation du pendage de la partie supérieure s’oberve du Nord au Sud, avec des valeurs proches de 60^◦ au Nord de la latitude 19^◦S, d’environ 52^◦ de 20 à 29^◦S et d’environ 70^◦ au sud de 30^◦S, c’est-à-dire dans le segment Kermadec (fig. VIII.3). Contrairement à la segmentation sismique de la partie profonde, les variations de pendage de la partie supérieure ne coïncident pas avec la structuration observée dans la plaque supérieure.

La partie profonde de la plaque subduite sous l’arc Tonga présente également de fortes variations de géométrie du Nord au Sud. Au Nord de 19^◦S, la sismicité profonde s’arrête vers 450-500km (coupes 15S à 19S, fig. VIII.2) et elle tend à s’horizontaliser, ce qui contraste avec le pendage de la partie 0-300 km. La lacune de sismicité qui isole ces deux parties de plaque plongeante correspond ici à la vaste lacune imagée sous la bassin de Lau. De 20 à 26^◦S, la partie 300-700 km s’épaissie fortement jusqu’à former deux écailles distinctes, parallèles entre elles (coupes 24 et 25^◦S, des figures VIII.2 et VIII.3). Ces écailles appartiendraient à la lithosphère subduite, lorsque la fosse du Vitiaz était encore active [Hamburger and Isacks, 1987, Okal and Kirby, 1998, Chen and Brudzinski, 2001, 2003, Hanus and Vanek, 1978b]. Le fait qu’elles apparaissent découplées de la lithosphère plongeante actuelle pourrait souligner une indication possible de rupture dans le processus de subduction aux Tonga. Par ailleurs, on remarque que l’écaille "su-périeure", qui s’observe en carte entre 22 et 26^◦S, se corrèle avec une augmentation locale de la largeur de la ride de Lau à ces mêmes latitudes (figs. VIII.1 et VI.1). Cette corrélation pourrait refléter des évènements antérieurs à la subduction actuelle, peut être avant le rifting de l’arc.

Lorsque la sismicité profonde s’observe jusqu’à 700 km de profondeur (coupes 16.6S et de 20 à 28S, figs. VIII.2 et VIII.3), on constate une tendance à la verticalisation de la partie 300-700 km à mesure que l’on se dirige vers le Nord.

Les lacunes de sismicité de profondeur intermédiaire semblent donc accommoder des comportements dif-férents entre la partie supérieure et la partie profonde de la plaque plongeante. On remarque cependant que les coupes effectuées à 22 et 23^◦S ne montrent pas cette lacune sismique. La présence de la ride de Louis-ville à ces profondeurs suggèrerait une augmentation de l’épaisseur et de la rigidité de la plaque plongeante localement, la rendant moins sensible à la discontinuité pétrologique des 410 km.

A l’inverse de la zone Tonga, la plaque plongeante de Kermadec présente une parfaite continuité dans la distribution en profondeur des hypocentres, indiquant une compétence parfaite du panneau plongeant. On note toutefois une diminution significative de la profondeur atteinte par la plaque subduite vers le Sud, avec une transition à partir de 33^◦S.

Enfin, une diminution de l’intensité de la sismicité s’observe autour de 100± 20 km, sur l’ensemble des coupes. Cette même observation a été faite dans la majorité des zones de subductions. Cette profondeur correspond à la zone de déshydratation de la plaque plongeante et donc à la zone de fusion partielle du coin mantellique, impliquant localement une rhéologie non propice à la rupture cassante [Spicak et al., 2004, Hanus and Vanek, 1979].

(2) Sur les coupes effectuées aux latitudes 21^◦S et 27^◦S (figs. VIII.2 et VIII.3), une seconde branche de sismicité se détache du plan de Benioff jusqu’à environ 150 km de profondeur et rejoignent la surface à proximité de la fosse (figs. VIII.2 et VIII.3). Ces branches présentent une forte verticalité, recoupant ainsi la lithosphère plongeante. Aucune origine certaine ne peut être proposée pour ces alignements, mais ils peuvent correspondre à des plans de rupture intraplaque actuel ou à d’anciennes failles normales d’extrados réactivées. On note cependant une relation entre la présence de ces plans subverticaux et les zones de lacune de sismique à l’interplaque :

– autour de 21^◦S, où s’est manifestée une crise sismique importante initiée le 03 Mai 2006 par un séisme de magnitude Mw=7.9. Cette séquence, dont l’origine reste indéterminée, est présentée ci-dessous ;

– à la latitude 27^◦S, c’est-à-dire à l’avant de la ride de Louisville actuellement en subduction. La coïn-cidence entre cette branche de sismicité qui rejoint la surface et la présence de la ride de Louisville suggère un possible découplage lithosphérique intraplaque, lié à la variation de densité qu’elle induit et qui s’oppose à la subduction de la ride. Cependant aucune anomalie de densité de type ride ou même mont sous-marin n’a été reportée à la latitude 21^◦S.

(3) Enfin concernant la partie Nord du segment Tonga (coupe 16.6^◦S, figs. VIII.2 et VIII.3), on remarque, en plus de la sismicité soulignant le plan de Bénioff, la présence de nombreux hypocentres bien au-dessus de la plaque subduite, à des profondeurs inhabituelles (entre 0 et 400km). La distribution des hypocentres dans la partie nord du bassin indique donc des discontinuités majeures à grande échelle, dans le Nord de cette zone. Celle-ci sera étudiée plus en détail dans la dernière section de ce chapitre.

Deux points majeurs ont été mis en évidence par l’étude de la distribution de la sismicité : (A) l’existence d’un éventuel détachement de la partie profonde, vers 300-400 km de profondeur, dans le domaine Tonga ;

FIGURE VIII.2 – Coupes perpendiculaires à la fosse (azimuth proche de 290◦), de la sismicité du panneau plon-geant, d’après le catalogue de Engdahl et al. [1998]. Chaque coupe est faite sur 1◦ de large. Leurs tracés sont représentés sur la figure VIII.1a. La coupe "16.6S" a été effectuée selon un azimuth d’environ 235◦.

FIGUREVIII.3 – Coupes perpendiculaires à la fosse (azimuth proche de 290◦), de la sismicité effondrée du panneau plongeant, d’après le catalogue de Engdahl et al. [1998] et la méthode d’effondrement de Bossu [2000]. Le rayon de la sphère d’effondrement est de 30 km. Chaque coupe est faite sur 1◦ de large. Leurs tracés sont représentés sur la figure VIII.1a. La coupe "16.6◦S" a été effectuée selon

(B) des phénomènes intraplaques, qui s’expriment à faible profondeur (0-150 km) par une seconde branche de sismicité spatialement corrélée aux lacunes sismiques interplaques.

Afin de mieux caractériser ces deux phénomènes, nous avons réalisé une étude préliminaire de la crise sismique superficielle, survenue en Mai 2006, dans une zone où a été imagée une seconde branche de sismicité (21^◦S). Puis, à partir de la résolution couplée du régime des contraintes au sein de la plaque plon-geante et de la plaque chevauchante, nous avons abordé la question de détachement du panneau plongeant profond.