Geodynamical study of the Tonga-Kermadec subduction zone using both 3-D numerical modelling and seismotectonics approaches
Etude géodynamique de la Zone de subduction Tonga-Kermadec par une approche couplée de modélisation numérique 3D et de sismotectonique
Résumé
The Tonga-Kermadec subduction zone is the consequence of a complex geodynamical evolution. The interaction between the back-arc opening mechanisms, the subduction of the oblique aseismic Louisville Seamount Chain, the tearing of the Pacific Plate and the increasing obliquity of convergence from North to South results in the present-day morphotectonic segmentation of the convergent system. Using both 3-D numerical modelling and seismotectonics, we attempt to determine the state of stress inferred in a convergent system (1) from a convergence accommodated along a curved margin and (2) from the subduction of an oceanic aseismic ridge. For that purpose, a finite element thermo-mechanical code was developped in 3-D by R. Hassani and then validated within the framework of this study. The results highlight a significant effect of the along-strike variations in a convergent system on the style of lithospheric deformation. (1) A convexity or concavity of the margin towards the ocean enhances respectively a compressive or extensive regime within the upper plate, whatever are the density contrast between the lithosphere and the asthenosphere or the value of the friction coefficient. (2) The results from both the numerical simulations and the seismotectonics study highlight a significant role of an oceanic ridge subduction on the state of stress within the overriding plate. A compressive regime as well as the uplift of the margin are induced in front of the subducted ridge. The numerical simulations indicate that the stress distribution within the upper plate is controlled by the obliquity of the subducted ridge. A tectono-kinematics segmentation of the arc and back-arc domains in the Tonga-Kermadec subduction zone, is revealed through the stress tensor resolution deduced from the CMTS. Since this segmentation is likely correlated to the numerical results, we confirm the influence of the Louisville Seamount Chain on the present-day structure of the Lau back-arc basin. (3) The study of the shallow seismicity distribution and of the CMTS indicate also the influence of the Louisville ridge on the deep slab behaviour. A subduction jump correlated with the initiation of the Louisville Ridge subduction is identified to the North of the Peggy Ridge. A detachment of the deep slab, which is underlined by a major seismic gap below the Lau Basin, accommodated this subduction jump. From a precise study of the shallow seismicity distribution, new tectonic features are identified in the Northern part of the Lau Basin : the Futuna-Niua Fo ou alignement interpreted as a fossil plate boundary and the intra-arc Niuatoputapu structure. They are both involved in the global reorganisation of the subduction zone.
La zone de subduction des Tonga-Kermadec est le résultat d une évolution géodynamique complexe. L intéraction des mécanismes d ouverture du domaine arrière-arc, de la subduction de la ride oblique de Louisville, de la déchirure de la plaque Pacifique plongeante ou encore d une obliquité de convergence croissante du Nord au Sud de la zone, est à l origine de la segmentation morphotectonique actuelle du système. Une approche couplée de modélisation numérique 3D et de sismotectonique a permis d étudier l état de contrainte d un système convergent induit lors de la subduction d une plaque océanique le long d une marge courbe ou encore, lors de la subduction d un relief océanique. Pour cela, un code numérique en éléments finis thermo-mécanique en 3D (ADELI-3D) a été développé par R. Hassani, puis validé dans le cadre de cette thèse. Les résultats soulignent un effet significatif des variations latérales d un système convergent sur les déformations lithosphériques engendrées. (1) Dans le cas de marges à géométrie courbe, une convexité ou concavité vers l océan, induit respectivement un régime compressif ou extensif dans la plaque supérieure et ce, quel que soit le contraste de densité entre la lithosphère et l asthénosphère ou encore la valeur du coefficient de friction interplaque. (2) Les résultats des simulations numériques 3D et de l étude sismotectonique ont mis en évidence le rôle significatif de la subduction d une ride océanique sur l état de contrainte de la plaque supérieure. La subduction d une ride se traduit par la surrection de la marge et un régime compressif au front du relief en subduction. Nos simulations montrent que la distribution des contraintes au sein de la plaque chevauchante est contrôlée par l obliquité de la ride. Dans la plaque chevauchante du système Tonga-Kermadec, une segmentation tectonique et cinématique des zones d arc et d arrière-arc est mise en évidence à travers la résolution de l état de contraintes déduit des mécanismes au foyer. Un régime de contraintes similaire est obtenu dans nos modèles 3D et nous permet de confirmer le rôle significatif de la subduction de la ride de Louisville sur la structuration actuelle du bassin arrière-arc de Lau. (3) L étude de la distribution de la sismicité et des mécanismes au foyer de la plaque plongeante révèle une influence de cette ride sur le comportement profond de la plaque. Un saut de subduction, qui coïncide avec l arrivée de la ride de Louisville dans la fosse est mis en évidence au Nord de la ride de Peggy. Ce saut de subduction s est accompagné d un détachement de la partie profonde du panneau plongeant, souligné par une vaste lacune de sismicité sous le Bassin de Lau. Une étude fine de la distribution de la sismicité de la plaque supérieure a permis d identifier de nouvelles structures tectoniques dans le Nord du système Tonga, à savoir l axe Futuna-Niua Fo ou, interprété comme une ancienne frontière de plaques et l accident intra-arc de Niuatoputapu, impliqués dans la réorganisation globale du système.