Modélisation de la signature géophysique

Les trois observables choisies comme contraintes sont simulées à partir de la structure thermique pour être comparées aux observations.

Profondeur maximale des séismes

La profondeur maximale des séismes reflète la profondeur de la transition mécanique fragile/ductile (Kong et al., 1992). La lithosphère change de rhéologie à une température d'environ 750°C pour les péridotites et 500°C pour la croûte océanique (Chen et Molnar, 1983). Si le centre du segment est suffisamment chaud, l’isotherme 500°C se situe dans la croûte et limite la profondeur maximale des séismes. Dans les autres cas, comme aux extrémités de segment, la profondeur maximale des séismes correspond à l’isotherme 750°C.

Structure crustale

Il a été nécessaire de mettre au point une méthode simple et géologiquement cohérente pour calculer les épaisseurs crustales. Le calcul des épaisseurs crustales est basé sur les quatre hypothèses suivantes:

-1) comme la plupart des auteurs je considère que le liquide est extrait lorsque le degré de fusion partielle dépasse un seuil d'extraction. Ce seuil dépend du processus d'extraction du magma. Deux types de processus d'extraction sont généralement proposés dans la littérature: soit le liquide migre à travers une matrice poreuse, soit il est extrait par hydrofracturation. Le seuil d'extraction pour la migration de liquide à travers une matrice poreuse est de 3% (McKenzie, 1984), valeur inférieure au seuil de l'hydrofracturation, de l'ordre de 7% (Nicolas, 1989). L'hydrofracturation semble limitée aux profondeurs inférieures à 20 km alors que l'extraction à travers une matrice poreuse semble se faire à toutes les profondeurs. Les résultats de l'expérience MELT menée sur les flancs de la dorsale Est-Pacifique (Forsyth et

al., 1998) favorisent le modèle d'extraction à travers une matrice poreuse. Les observations montrent en effet que le liquide magmatique est extrait dans une large zone faiblement fondue pouvant aller jusqu'à des profondeurs de 100 km. C'est donc le seuil d'extraction de 3%, correspondant à la migration du liquide dans une matrice poreuse, que je retiendrai dans la suite des calculs.

Figure II.11: Calcul des épaisseurs crustales.

Le calcul est illustré dans des coupes verticales perpendiculaires à l'axe de la dorsale. Au bout de 50000 ans, les plaques se sont écartées l'une de l'autre de 1000 m. a) Le liquide est extrait d'une zone d'extraction large de 1000 m située sous l'axe de la dorsale pour se mettre en place à la surface. b) Le liquide est extrait de toute la zone de fusion et seule une partie de celui-ci se met en place à l'axe de la dorsale, définissant un taux d'extraction.

t > 0 t > 0 + 50000 ans 1 cm/an 6 km 1cm/an A ? xe de la dorsale croûte zone d'extraction 1 cm/an 1cm/an a) b)

-2) Pour des raisons de simplicité on ne considère pas ici de migration du magma le long du segment, on suppose que le liquide présent dans une section verticale perpendiculaire à l'axe se met en place à l'aplomb de cette section. Cette hypothèse est en accord avec des observations de différente nature menées le long de la dorsale Médio-Atlantique. Ces observations suggèrent en effet l'absence, ou quasi-absence, de migration de magma la long de l'axe. Les expériences de sismique réfraction indiquent qu'il n'y a pas de chambre magmatique continue et permanente sous la dorsale Médio-Atlantique (Sinton et Detrick, 1992; Calvert, 1995). Ceci suggère que la migration du magma le long de l'axe est très limitée sous les dorsales lentes comparées aux dorsales rapides où des chambres magmatiques continues et permanentes ont été observées (Lin and Phipps Morgan, 1992). Ces résultats sont accrédités par les analyses géochimiques d'échantillons de lave dragués le long du segment situé 26°S dans la dorsale Médio-Atlantique (Niu and Batiza, 1994), qui montrent que le segment serait approvisionné par différentes sources de magma. Une telle observation semble écarter une migration importante du magma le long de l'axe.

-3) le liquide extrait se met en place à la surface sur une largeur de 1000 m, largeur moyenne de la zone néo-volcanique le long de la dorsale Médio-Atlantique (Crane et Ballard, 1981; Sempéré et al., 1990; Gente et al., 1991; Smith et Cann, 1993), ce qui correspond à la distance parcourue par les deux lithosphères en 50000 ans au cours de leur éloignement de l'axe. -4) la croûte au centre du segment doit présenter une épaisseur de 6 km (épaisseur moyenne de la croûte le long de la dorsale Médio-Atlantique). Par conséquent le volume de liquide mis en place en 50000 ans à la surface au centre du segment doit totaliser 6 km³ par km le long de l'axe.

Le calcul des épaisseurs crustales est détaillé dans le cas d'une section verticale passant par le centre du segment.

Dans une première approche très simple, on considère que le liquide qui se met en place dans la zone large de 1000 m provient d'une région d'extraction, également large de 1000 m, de la zone de fusion (figure II.11). On suppose que tout le liquide présent dans cette région migre verticalement pour se mettre en place à l'axe. La distribution des degrés de fusion partielle permet de calculer le volume de liquide présent dans cette région d'extraction; celui-ci ne totalise que 1,7 km³ par km le long de l'axe, ce qui correspond à une croûte épaisse de 1,7 km en centre de segment. On obtient alors une croûte mise en place au centre du segment d'épaisseur beaucoup trop faible (trois fois plus faible que les 6 km attendus).

Comme la quantité de liquide extrait de cette étroite zone d'extraction de la zone de fusion est insuffisante pour former une croûte océanique d’épaisseur normale on suppose

maintenant que le liquide extrait provient de toute l’étendue de la zone de fusion. Cela revient à prendre en compte une migration verticale et latérale dans un plan vertical perpendiculaire à l'axe de la dorsale. Le liquide présent dans la zone de fusion totalise un volume d'environ 30 km³ par km le long de l'axe. Par conséquent pour remplir l'espace situé en surface, seule une partie du liquide est extraite de la zone de fusion au bout de 50000 ans (figure II.11). On définit alors un taux d'extraction égal au rapport du volume de liquide extrait pour être mis en place en surface sur le volume de liquide présent dans la zone de fusion. On peut raisonnablement considérer que ce taux d'extraction est constant le long de l’axe; les variations de volume de la zone de fusion entraînent alors des variations de l’épaisseur crustale le long du segment.

Cette dernière approche permet de calculer des épaisseurs crustales conformes à celles suggérées par les observations. C'est donc celle-ci qui est utilisée dans le calcul des épaisseurs crustales.

Anomalie gravimétrique de Bouguer réduite au manteau (MBA)

La MBA déduite des observations gravimétriques reflète des variations d'épaisseur crustale et/ou des variations de densité crustale et mantellique. Notre simulation considère des variations de densité de plusieurs origines. La structure thermique entraîne des variations latérales de densité du fait de l'expansion thermique et de la présence de liquide dans la zone de fusion partielle. Les densités ρ s’écrivent:

) 1 ( 0 α ξ ρ ρ= − T−Λ

avec le coefficient d'expansion thermique α=3.10^-5 °C^-1 (Su et Buck, 1993), le coefficient de variation de masse volumique due à l'appauvrissement du manteau Λ=0,152 (Scott et Stevenson, 1989; Su et Buck, 1993), la température T, l'appauvrissement du manteau ξ lors de la fusion partielle et la densité à une température nulle ρ0.

L'appauvrissement du manteau ξ(x,y,z) dû à l'extraction du liquide magmatique est le degré de fusion partielle en excès par rapport au seuil d'extraction:

ξ(x,y,z)=0 si Φ(x,y,z) < 3%

Ces effets s'ajoutent au contraste des densités ρ0 de la croûte (2800 kg/m³ à 0°C) et du manteau (3300 kg/m³ à 0°C) pour une croûte d'épaisseur variable.

Enfin, la serpentinisation des péridotites modifie significativement leur densité (Christensen, 1966). Celle-ci dépend en effet linéairement du taux de serpentinisation (Miller et Christensen, 1997), les péridotites les plus serpentinisées présentant les densités les plus faibles, selon la relation empirique :

β ρ=3300−785

avec β taux de serpentinisation.

Le paragraphe suivant est consacré à l'expression du paramètre β.