Lithospheric faults rheology : toward a geological and mechanical understanding of the seismic-to-aseismic transition zone

Ces vingt dernières années, le développement de réseaux haute résolution sismologiques et géodésiques denses a permis la découverte de nouveaux signaux géophysiques parmi lesquels on trouve les trémors non-volcaniques (Non-volcanic tremor, NVT, Obara 2002) et les glissements lents épisodiques (Slow Slip Event, SSE, Dragert et al., 2001). La combinaison de NVT et de SSE est communément observée le long des frontières de plaques, entre la zone sismogénique bloquée à faible profondeur et la zone en fluage ductile à plus grande profondeur (Dragert et al., 2004). Cette association définie des glissements et trémors épisodiques (Episodic Tremor and Slip, ETS), systématiquement associés à des surpressions de fluides et à des conditions proches de la rupture. Dans cette thèse, nous proposons de combiner une étude microstructurale de roches exhumées avec une approche par modélisation numérique afin de reproduire et de mieux comprendre la mécanique des glissements et trémors épisodiques.Nous nous sommes concentrés sur des roches continentales provenant de la Zone de Cisaillement Est du Tende (Corse, France), correspondant à une zone de cisaillement Alpine kilométrique ayant enregistré une déformation dans la zone de subduction (10 kb / 400-450°C, Gueydan et al., 2003). Ces conditions pression-température sont cohérentes avec la localisation des ETS dans les zones de subduction. Les analyses microstructurales et EBSD de ces roches mettent en évidence des localisations de la déformation le long de zones de cisaillement centimétriques contrôlées par une rhéologie dépendante de la taille des grains. La microfracturation de la phase dure (ici du feldspath) et le colmatage de ces microfractures correspondent, respectivement, à de processus de réduction et d’augmentation de la taille des grains.La plupart des récentes modélisations des ETS sont basées sur une loi frictionnelle dite rate-and-state, associant les SSE et les NVT à un cisaillement sur un plan. Contrairement à ces modèles, nous souhaitons modéliser l’ensemble de la roche (et non pas uniquement un plan) avec une rhéologie ductile dépendante de la taille des grains directement guidée par nos observations microstructurales (avec microfracturation et colmatage), Nous faisons l’hypothèse que les SSE peuvent résulter d’une localisation ductile de la déformation et non d’un glissement sur des fractures. Durant la localisation de la déformation, le pompage des fluides peut déclencher une fracturation de la roche par surpression de fluide, ce qui pourrait être la signature des NVT. Le modèle numérique 1D présenté ici nous permettra de valider ces hypothèses. En suivant la loi de Darcy, notre approche nous permet également de prédire les variations de la pression de pore en fonction des variations de la porosité/perméabilité et du pompage des fluides.Les résultats numériques montrent que l’évolution dynamique des microstructures, dépendante des fluides, définie des cycles de localisation ductile de la déformation liés aux augmentations de la pression de fluide. Notre modèle démontre que la disponibilité des fluides et l’efficacité du pompage des fluides contrôlent l’occurrence des ETS. Nous prédisons également les conditions pression-température nécessaires au déclenchement des ETS : 400-500°C et 30-50 km de profondeur en subduction, et ~500°C et 15-30 km de profondeur le long des zones de décrochement. Ces conditions PT sont cohérentes avec les exemples naturels.Aussi simple soit-elle, notre modèle mécanique s’appuyant sur des observations de terrain décrit correctement la relation entre surpressions de fluides, rhéologie dépendant de la taille des grains et le déclenchement des ETS. Des travaux restent à entreprendre comme par exemple la comparaison directe de nos résultats avec des données géophysiques (GPS) ou bien l’introduction d’un nouvelle assemble minéralogique, comme par exemple des roches mafiques pour prendre en compte des minéralogies océaniques.These last twenty years, the development of dense and highly sensitive seismologic and geodetic networks permits the discovery of new geophysical signals named non-volcanic tremor (Obara 2002) and slow slip events (Dragert et al., 2001). The combination of non-volcanic tremor and transient slow slip is commonly observed at plate interface, between locked/seismogenic zone at low depths and stable/ductile creep zone at larger depths (Dragert et al., 2004). This association defines episodic tremor and slip, systematically highlighted by over-pressurized fluids and near failure shear stress conditions. In this thesis we propose to combine a microstructural analysis of exhumed rocks with a modeling approach in order to accurately reproduce and understand the physics of episodic tremor and slip.We focus on continental rocks from the East Tenda Shear Zone (Corsica, France), a kilometer-wide localized Alpine shear zone that record HP/LT deformation (10kb / 400-450°C, Gueydan et al., 2003). Such pressure-temperature conditions are consistent with the location of episodic tremor and slip in subduction zone. Microstructural and EBSD analyses on these rocks describe a pattern of strain localization in centimeter-scale shear zones guiding by a grain size-sensitive creep. Microfracturing of the strong phase (feldspar here) and the sealing of these microfractures act, respectively, as grain size decrease and grain size increase processes.Most of recent modeling approaches of episodic tremor and slip are based on the rate-and-state variable friction law, describing slow slip event and non-volcanic tremor as slow shear slip on a plane. In contrast with such models, we wish to model the entire rock volume, with a ductile grain size-sensitive rheology guided by our microstructural observations (e.g. microfracturing and sealing as grain size variation processes). We hypothesize that slow slip events may result from ductile strain localization and not transient slip on fractures. Fluid pumping during strain localization may trigger whole rock fracturing at near lithostatic conditions that can be the signature of non-volcanic tremor. The 1D numerical model presented here will allow us to validate these assumptions.We also can predict pore fluid pressure variation as a function of changes in porosity/permeability and strain rate-dependent fluid pumping following the Darcy’s flow law. The fluid-enhanced dynamic evolution of microstructure defines cycles of ductile strain localization related to the increase in pore fluid pressure. We show that slow slip events can be ductile processes related to transient strain localization, while non-volcanic tremor can correspond to fracturing of the whole rock at peak of pore fluid pressure. Our model shows that the availability of fluids and the efficiency of fluid pumping control the occurrence of episodic tremor and slip. We also well predict the temperature and depth ranges of episodic tremor and slip: 400-500°C and 30-50 km in subduction zones and ~500°C and 15-30 km in strike slip settings, consistent with natural examples.As simplistic as it is, our field-guided mechanical model well describe, at first order, the relation between high pore fluid pressure, grain size-sensitive rheology and episodic tremor and slip. Some efforts remain to be done like a real fit of geophysical data (GPS) or the introduction of the new mineralogical assemblage, such as mafic rocks to reproduce oceanic environment