Réactivation compressive du domaine crustal avant-arc de la subduction hellénique : imagerie temps et profondeur sur données sismiques grands offsets

The study of crustal structures in subduction zones by seismic imaging has always been a challenge. Their complexity and the depth of the objectives generally pursued mean that good imaging quality can only be achieved by using acquisitions that cover large offsets and by developing processing workflows that exploit the wealth of information collected. Building a robust velocity model is essential in such approach. These criteria have been met in the work presented here, carried out in the framework of the SISMED (Seismic Imaging inveStigation in MEDiterranean sea for deep seismogenic faults) project to study the structures of the Hellenic margin, west of Crete. The data were acquired in 2015, aboard R/V Marcus G. Langseth, on a 210 km-long transect crossing a large part of the forearc system of this subduction, using an 8 km-long seismic streamer and a 6600 in3 source, the best academic equipment available at the time. The work to exploit these data essentially revolved around the construction of a robust velocity model, focusing the wave field as sharply as possible using an approach developed for this purpose. The effort was divided into two steps, with detailed imaging down to intermediate crustal depths (0-13 km) by a first Kirchhoff pre-stack depth migration, followed by a second one, based on a ray+Born method including an iterative focusing analysis in the migrated time and depth domains, yielding imaging down to 20 km depth and beyond.The successive interpretation of the two migrated images leads to revise our understanding of the convergence dynamics on this part of the Hellenic margin and its seismo-tectonic implications. It allows us to revise some previously documented shallow structural features, such as the boundaries of the Messinian evaporitic unit and the topography of the basement. Above all, it reveals the geometry of major interfaces at depth, such as 1) the Aegean Moho observed as shallow as 13 km below the outer forearc, to more than 25 km depth below the top of the Hellenic scarp, validated by recent tomographic results based on wide-angle seismic data (ULYSSE survey), and 2) the top of the downgoing plate between 13 and 20 km depth, as well as its Moho, below the southern third of the profile. A set of active crustal faults is also revealed in the forearc. Their relationships with deformations recorded in the sedimentary structures allow us to propose: 1) cessation of radial extension of the outer forearc domain; 2) a compressive inversion since less than 5 Ma, possibly associated with the onset of collision of the Libyan margin with the forearc crust south of Crete; 3) significant accommodation of convergence obliquity by dextral strike-slip shear across the Hellenic scarp and inner forearc and not only at the prism/backstop boundary, as considered so far. A major, subvertical, seismically active structure within the Hellenic scarp, expressed in the Aegean Moho, is thus proposed, potentially joining the interplate at about 40 km depth, i.e. at the bottom of the seismogenic zone, marked by interplate thrust earthquakes of magnitude ~6 west of Crete. This structure is proposed as an alternative to the splay fault of Shaw_2008, supposedly outcropping at the foot of the Hellenic scarp, which our results also demonstrate is absent.The imaged part of the megathrust under a thin and tectonized outer forearc crust, and then under the mantle wedge down to 20 km depth, corresponds to the seismically silent part of the instrumental period, in agreement with the modelling of a partial seismic coupling. However, this fault could rupture during very large earthquakes such as the 365 EC, with a very long return time.L’étude des structures crustales des zones de subduction par imagerie sismique a toujours représenté un défi. Leur complexité et la profondeur des objectifs généralement poursuivis font qu’une bonne qualité d’imagerie n’est atteinte qu’à la condition d’utiliser une acquisition couvrant les grands offsets et de développer des chaînes de traitement exploitant la richesse de l’information recueillie. Construire un modèle de vitesse robuste est indispensable dans cette démarche. Ces critères ont été réunis dans le travail présenté ici, réalisé dans le cadre du projet SISMED (Seismic Imaging inveStigation in MEDiterranean sea for deep seismogenic faults) d’étude des structures de la marge hellénique, à l’ouest de la Crète. Les données ont été acquises en 2015, à bord de R/V Marcus G. Langseth, sur un transect de 210 km recoupant largement le système avant-arc de cette subduction, au moyen d’une flûte sismique de 8 km et d’une source de 6600in3, soit les meilleurs moyens académiques disponibles alors. Le travail d’exploitation de ces données a essentiellement porté sur la construction d’un modèle de vitesse robuste, focalisant au mieux le champ d’onde au moyen d’une approche développée dans ce but. L’effort s’est décomposé en deux temps, avec une imagerie détaillée jusqu’aux profondeurs crustales intermédiaires (0-13 km) par une première migration profondeur avant-sommation de Kirchhoff, suivie d’une seconde, basée sur une méthode ray+Born incluant une analyse itérative de focalisation dans les domaines migrés temps et profondeur, pour une imagerie jusqu’à 20 km de profondeur et au-delà. L'interprétation successive des deux images migrées amène à réviser notre compréhension de la dynamique de convergence sur cette partie de la marge hellénique et ses implications sismo-tectoniques. Elle permet de réviser certains éléments structuraux peu profonds déjà documentés, comme les limites de l’unité évaporitique messinienne et la topographie du socle. Elle révèle surtout la géométrie d’interfaces majeures en profondeur, telles que 1) le Moho égéen observé dès 13 km de profondeur sous l’avant-arc externe jusqu’à plus de 25 km sous le haut de l’escarpement hellénique, validé par des résultats tomographiques récents sur données de sismique grand-angle (campagne ULYSSE), et 2) le toit de la plaque plongeante entre 13 et 20 km de profondeur, ainsi que son Moho, sous le tiers sud du profil. Un ensemble de failles actives crustales est également révélé dans l’avant-arc. Leurs relations avec les déformations enregistrées dans les structures sédimentaires permettent de proposer : 1) l’arrêt de l’extension radiale du domaine avant-arc externe ; 2) une reprise en compression à moins de 5 Ma, possiblement associée au début de collision de la marge libyenne avec l’avant-arc au sud de la Crète ; 3) une accommodation significative de l’obliquité de convergence par des systèmes décrochants dextres au travers de l’escarpement et de l’avant-arc interne et non pas uniquement à la limite prisme/backstop, comme considéré jusqu’ici. Une structure majeure, subverticale, sismiquement active au sein de l’escarpement hellénique et exprimée dans le Moho égéen est ainsi proposée, joignant potentiellement l’interplaque vers 40 km de profondeur, soit au bas de la zone sismogène, marquée par des séismes de chevauchement interplaque de magnitude ~6 à l’ouest de la Crète. Cette structure est proposée comme alternative à la splay fault de Shaw_2008, supposée affleurer en pied d’escarpement, dont nos résultats démontrent par ailleurs l’absence.La partie imagée du méga-chevauchement sous une croûte avant-arc externe mince et tectonisée, puis sous le coin mantellique jusqu’à 20 km de profondeur, correspond à la partie sismiquement silencieuse de la période instrumentale, en accord avec les modélisations d’un couplage partiel. Cette faille pourrait toutefois rompre lors de très grands séismes comme celui de 365 EC avec un temps de retour très long