Géométrie et rhéologie

Le modèle s’étend de la plaque arabe au Bloc Central Iranien sur 600 km (axe x), la profondeur maximale est de 120 km (axe z). Sa géométrie présentée par la figure IV-8 est basée sur celles de différents modèles [Snyder & Barazangi, 1986; Berberian, 1995; Paul et

al., 2002] en faisant l’hypothèse d’une compensation locale du relief au niveau de l’interface

croûte/manteau. La croûte est épaisse de 40 km sous l’Arabie et le Bloc Central Iranien, et elle atteint 55 km sous les hauts reliefs du Zagros et une partie du Bloc Central Iranien (région de Sirjan). La topographie du Zagros et l’altitude moyenne du plateau de Sanandaj-Sirjan sont introduites dans le modèle. Dans le Zagros l’altitude moyenne s’élève régulièrement de 0 à 2500 m vers le Nord-Est puis elle retombe rapidement lors du passage au plateau central iranien (voir figure IV-7). Deux bandes étroites ont été ajoutées pour modéliser par un changement de rhéologie les failles principales, l’une verticale, qui correspond à la MRF (Main Recent Fault) et l’autre de pendage 30°, qui s’apparente au MZT (Main Zagros Thrust). 67500 éléments tétraédriques d’environ 4 km d’arête composent le modèle.

Figure IV-7 : Profils topographiques à travers le Zagros. Les valeurs moyennes (courbes noires) et extrêmes (en pointillés) sont données pour une bande de 50 km de largeur.

La sphéricité de la terre n’est pas prise en compte, le modèle correspond donc à une lithosphère plane. Il est soumis aux forces de gravité et les densités attribuées à la croûte et au manteau sont respectivement de 2,8 et 3,3. Ces valeurs ne sont pas des paramètres importants du le modèle, elles permettent surtout d’avoir l’épaisseur de la racine égale à : 5,6 × l’altitude du relief. La base du modèle est sujette à une pression hydrostatique.

Les vitesses horizontales de l’Arabie par rapport au Bloc Central Iranien au niveau de la partie centrale du Zagros (7 mm/an) sont utilisées comme conditions aux limites pour forcer la convergence oblique. Cela correspond à des vitesses de 5 et 5 mm/an selon les axes x et y pour la face arabe du modèle et des déplacements nuls de la face iranienne. Les vitesses verticales sont laissées libres. Pour les faces transverses (perpendiculaires a l’axe Y, voir figure IV-8), des conditions de déformation transverse nulle sont appliquées (εyy=0, voir

Chéry et al., 2001 pour les détails techniques). Par conséquent, la vitesse d’un point d’une de

ces faces sera la même que celle du point sur la face en vis à vis (mêmes coordonnées x, z).

Figure IV-8 : Géométrie et conditions aux limites du modèle mécanique du Zagros. Les bandes grises représentent les parties dont la rhéologie est susceptible d’être modifiée pour modéliser les grandes failles du Zagros.

La rhéologie lithosphérique est modélisée par des lois de comportement variant avec la pression et la température. Les paramètres de la loi pour la croûte sont ceux déjà utilisés par d’autres études (ex : Chéry et al., 2001; Provost et al., 2003). A basse pression et basse température, les matériaux ont un comportement plastique principalement contrôlé par la pression (cf. première partie de ce chapitre). La loi de Ducker-Prager est paramétrée avec un angle de friction interne (φ) de 15°, ce qui équivaut à une forte friction interne (0,6) et une pression de pore hydrostatique [Chéry et al., 2001]. L’angle de dilatance (ψ) est de 0° car à cette échelle la déformation peut être considérée comme non dilatante. A haute pression et haute température, le comportement des matériaux viscoélastiques est souvent décrit par une loi puissance pour rendre compte du fluage dislocation (ex : Brace & Kohlstedt, 1980 ; Kirby, 1983 ; Kirby & Kronenberg, 1987 ; Kohlstedt et al., 1995). Dans le cas présent nous utilisons un modèle viscoélastique linéaire de Maxwell (c’est à dire une loi puissance avec un exposant égal à 1, cf. première partie de ce chapitre). Cette relation est paramétrée de telle manière que la viscosité effective décroisse dans la croûte inférieure [Strehlau & Meissner, 1987]. La viscosité effective passe de η=10 23 Pa.s à 350°C à η=10 21 Pa.s à 500°C puis η=10 20 Pa.s à 650°C. Ces paramètres induisent dans notre modèle un découplage intra crustal dans le Zagros entraîné par la baisse de résistance de croûte inférieure (voir figure IV-9).

Pour ce qui est des paramètres contrôlant le comportement plastique du manteau (matériau de type Drucker-Prager), deux tests ont été effectués, l’un utilise les mêmes paramètres que ceux de la croûte, l’autre utilise les paramètres de l’olivine définis par Carter & Tsenn [1987] et

Tsenn & Carter [1987]. Les résultats obtenus sont similaires. Par conséquent, les paramètres

utilisé pour la loi de Drucker-Prager décrivant le comportement plastique du manteau, dans nos modèles, sont les mêmes que ceux de la croûte.

Trois principales rhéologies ont été testées pour le manteau: • Modèle 1 (croûte résistante, manteau résistant) :

La rhéologie est définie par une association de lois de type Drucker-Prager et Maxwell. Les paramètres de la loi Drucker-Prager sont les mêmes que ceux utilisés pour la croûte. Par contre ceux de la loi de Maxwell sont différents. Le manteau est paramétré pour obtenir des viscosités de l’ordre de η=10 ²³ Pa.s à 600°C, η=10 ²² Pa.s à 800°C et η=10 ²¹ Pa.s à 1150°C [Karato & Wu, 1993]. Les contraintes obtenues dans le manteau sont élevées (voir figure IV-9). Le manteau forme ainsi une bande continue de l’Arabie à l’Iran central présentant une résistance plus élevée que celle de la croûte.

• Modèle 2 (croûte résistante, manteau à seuil) :

Le comportement plastique est décrit par une loi de type Von-Mises. Une telle loi permet de prendre en compte un seuil maximal de contraintes effectives. Tsenn & Carter [1987] ont proposé un seuil à environ 600 MPa pour les roches principalement composées d’olivine. Les paramètres de la loi de Maxwell sont identiques à ceux utilisés dans le modèle précédent. La résistance ainsi obtenue pour le manteau n’est pas plus élevée que dans la croûte sismogène (voir figure IV-9).

• Modèle 3 (croûte résistante, manteau à faible viscosité) :

Ce modèle utilise la plasticité de Drucker-Prager avec les mêmes paramètres que le modèle 1. La loi de Maxwell est paramétrée de telle sorte que les viscosités effectives soient diminuées d’un facteur 10, on a ainsi η=10 22 Pa.s à 600°C, η10 21 Pa.s à 800°C et η=10 20 Pa.s à 1150°C. Cette solution permet d’abaisser fortement la résistance du manteau (voir figure IV-9). C’est alors la croûte sismogène qui est la plus résistante dans la zone de déformation du Zagros. Une telle enveloppe des contraintes est en accord avec la proposition de Maggi et al. [2000a].

Figure IV-9 : Contraintes obtenues pour différentes rhéologies du manteau (voir texte) avec le champ thermique tenant compte de la subduction du manteau lithosphérique sous le Zagros. Les profils sont donnés pour la plaque arabe (X=50), le Zagros (X=280) et le Bloc Central Iranien (X=420). Ils sont extraits du modèle numérique 3D en régime stationnaire.

Les modèles sont testés dans un premier temps avec des vitesses aux limites mises à zéro, ce qui permet de vérifier que le modèle est à peu près compensé isostatiquement et qu’aucun mouvement permanent n’existe sans vitesses appliquées aux limites.