Projet ANR-12-JS06-0003 – DELF : Séismes Profonds : du Laboratoire au Terrain
Programme : JCJC - SIMI 6 - Système Terre, environnement, risques (JCJC SIMI 6)
Année de financement : 2012
Coordinateur du projet : Monsieur Alexandre SCHUBNEL (Laboratoire de Géologie - Ecole Normale Supérieure)
Partenaires : Laboratoire de Géologie de l'École Normale Supérieure
Montant : 361300.0 euros
Date de début : 2013
Durée : 48 mois
Résumé : Les séismes profonds: du laboratoire au terrainLes tremblements de Terre intermédiaires et profonds (400-700km) ont lieu dans des conditions extrêmes où il est mécaniquement difficile d’envisager la propagation dynamique de fractures. Les observations, à la fois géophysique, sismologiques, de terrain et expérimentales montrent qu’il existe un régime de haute pression (>GPa) – haute température (>600°C), où les transformations de phases minérales permettent la propagation de fracture dynamique et donc la génération de séisme.
Origine des séismes intermediaires et profonds: une nouvelle frontière expérimentaleL’ensemble des observations, à la fois géophysique, sismologiques, de terrain, en enfin expérimentales semblent donc toute pointer dans la même direction : il existe un régime de haute pression (>GPa) – haute température (>600°C), où bien que la déformation devrait être systématiquement ductile, l’existence de transformations de phases minérales joue un rôle mécanique déstabilisant qui permet la propagation de fracture dynamique et donc la génération de séisme. Il revient donc aux expérimentalistes de construire les bons outils expérimentaux pour atteindre les conditions extrêmes nécessaires pour caractériser, enfin, le rôle des contraintes déviatoriques sur un certain nombre de transition de phase minérales qui sont proposée comme sismogènes. Notre but est :-	de décrire les transformations de phases qui ont lieu dans des portions de manteau et de croûte enfouis à des profondeurs supérieures à 50 km puis exhumées-	d’ étudier leurs analogues expérimentaux dans des appareils capables de reproduire ces conditions de pression (Griggs et D-DIA)-	d’enregistrer leur possible signature sismique est le seul moyen de faire le lien entre la sismicité aujourd’hui enregistrée et les transformations métamorphiques à haute pression. Ce projet de recherche propose donc d’étudier, sous contrainte non-hydrostatique, les transformations minérales suivantes : 		1. Déshydratation de la serpentine2. Récations d’éclogitisation de la crôute océanique3. Transformation Olivine – Spinel.Les expériences seront réalisées dans un appareil à pression solide de nouvelle génération, qui sera mis en place au laboratoire de Géologie de l’ENS Paris. Pour un nombre limité de cas, des expériences complémentaires seront réalisées sous rayonnement synchrotron (Advanced Photon Source, Chicago). Enfin, des modèles thermo-chemo-mécaniques sont envisagés à terme pour permettre le passage à l’échelle entre le laboratoire et le panneau plongeant.
Origin of deep earth seismicity: an experirmental frontierThe project is subdivided into one technical task (Task 2) consisting in building a new type of rock deformation apparatus, three thematic tasks (Tasks 3, 4 and 5) each tightly focused on the three phase transformations mentioned above and a mechanical modeling and seismological data integration task 6. Beside experiments, Task 3 and 4 will involve field works subtasks, as we will need to perform sampling and also believe it is crucial to compare our experimental results to natural microstructures and textures. Obviously, task 5 cannot involve any fieldwork, but it will include mounting an acoustic set-up on the DDIA 30 in Chicago in order to reach pressures of the order of 15 GPa on natural olivine samples large enough to perform acoustic monitoring. The preliminary phases of task 5 will consist in performing experiments at lower pressure on the germanate olivine. Task 6 is instrumental in order to integrate our data and upscale it, by performing mechanical modelling and looking at real earthquake catalogs and tomographic maps.Two Ph-D students, following a Master 2 training period, will be hired over the course of the project. Ph-D and Master students will be involved in Tasks 3-6. The first PhD. project will be focussed on experimental work on natural samples (Serpentine and Eclogite) and field work, while the second one will be focussed on studying single phase transformations (Qz-Coes, Ol-Sp) and modelling.Four field trips will be organized during these 4 years. We will begin the project by a joint fieldtrip in the Voltri area. All group members will meet together once a year for internal progress workshop in Paris. A financial update will be performed annually before this meeting.
Résumé de la soumission : Les séismes profonds sont, par nature, différents des tremblements de terre superficiels. Les tremblements de terre de profondeur intermédiaire se produisent dans des conditions de pression et température où la serpentine et d’autres minéraux hydratés se décomposent. Une importante activité sismique est également observée entre 400 et 700 km de profondeur, au niveau de la zone de transition, c’est-à-dire là où l’olivine se transforme à la faveur de polymorphes de plus haute pression. Les observations sismologiques, géophysiques et de pétrophysique expérimentale convergent donc pour indiquer une fenêtre à haute pression (P > au GPa) et haute température (T > 500°C) où, bien que la déformation devrait être ductile, des réactions minéralogiques déclenchent des instabilités mécaniques. Néanmoins, les couplages entre ces réactions/transitions de phase et la « fragilisation » (embrittlement) des roches en domaine ductile restent à ce jour largement incompris. La clef des verrous technologiques rencontrés se trouve aux convergences entre deux disciplines expérimentales : la mécanique des roches et la minéralogie de haute pression. C’est précisément là que ce situe notre projet et nos compétences. Notre objectif est de sonder et comprendre ces couplages au travers d’une approche intégrée (expérimentation – observation sur le terrain – modélisation) centrée avant tout sur l’expérimentation. Il s’agira de comprendre comment la contrainte déviatorique affecte les réactions minérales, leur équilibre et leur cinétique, et sous quelles conditions elle peuvent devenir instables mécaniquement, et ce pour trois types de réactions sélectionnées pour leur pertinence (1.- déshydratation : serpentine ; 2.- changement de faciès métamorphique : éclogitisation ; 3.- transition de phase : olivine – spinelle). D’un point de vue purement expérimental, il reste techniquement difficile de déformer une roche de manière contrôlée à haute pression et haute température, tout en suivant, en temps réel, l’avancement de transformation minérale. Notre stratégie sera la suivante : nous proposons (1) de développer un appareil de Griggs de nouvelle génération, équipé en suivi acoustique passif et actif, qui permettra d’atteindre les conditions s -P-T (contrainte déviatorique - pression – température) nécessaires pour caractériser le comportement mécanique des trois types de réaction mentionnées. Ce nouveau dispositif sera la pierre angulaire du projet. (2) Des expériences complémentaires, de courtes durées (< 24 heures) mais à plus haute pression (< 15 GPa), seront réalisées avec une presse multi-enclumes à confinement solide (D-DIA) installée sur la ligne synchrotron de GSE-CARS à l’Advanced Photon Source (APS, Argonne Illinois, USA). Les chercheurs impliqués dans le projet y ont développé, au cours de ces deux dernières années, un dispositif d’enregistrement acoustique. Nos résultats préliminaires, déjà obtenus sur la déshydratation de la serpentine et la transformation olivine-spinelle, sont des plus prometteurs et prouvent la faisabilité et la pertinence de notre projet.Enfin, nous sommes conscients que la faiblesse des études expérimentales pour la compréhension des phénomènes naturels réside dans la mise à l’échelle temporelle et spatiale. Aussi, il nous a semblé indispensable d’inclure deux études de terrain, afin de confronter microstructures naturelles et expérimentales pour mieux discuter les processus sondés expérimentalement.  D’une manière équivalente, un volet sismologique est prévu, dans lequel il s’agira de comparer la source et la statistique des émissions acoustiques enregistrées au laboratoire à celle des tremblements de terre profonds. Enfin, le changement d’échelle fera également appel à la modélisation. Nous développerons ainsi des modèles de couplage thermo-chemo-mécaniques en espérant, à terme, combler la lacune qui existe entre les données de laboratoire, de terrain et sismologiques à l’échelle d’une zone de subduction.
Résultats : Notre but est de comprendre, sur la base de nouvelles données expérimentales et de terrain, la relation entre transformations de phases sous contrainte et sismicité afin de contraindre l’origine des séismes profonds. Enfin, l’étude des couplages thermo-chemo-mécaniques que nous mettrons en évidence pourrait, à terme, être extrapolée à d’autres transitions de phase. 
D’un point de vue purement technologique, notre projet permettra de monter un appareil de Griggs de nouvelle génération en France, et le seul au monde équipé en acoustique. 
- Du point de vue de notre étude de terrain, nous voulons évaluer la part de la déformation effectivement associée aux PST et tester la compatibilité cinématique des PST et des zones de cisaillement. Les résultats expérimentaux nous serviront à évaluer les résistances cassantes et ductiles des protolithes à sec et hydratés, à estimer l’effet de la vitesse de déformation et à enregistrer la sismicité possible associée à l’éclogitisation syn-cinématique.
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Perspectives : D’un point de vue purement technologique, notre projet permettra de monter un appareil de Griggs de nouvelle génération en France, et le seul au monde équipé en acoustique. Cet appareil ouvrirait un certain nombre de perspectives expérimentales qui ne se limitent en aucun cas à ce projet. L’étude de la fusion partielle à haute pression in situ, aujourd’hui impossible, est déjà envisagée. Sa mise en place au Laboratoire de Géologie de l’ENS permettrait en outre de conforter la place occupée par celui-ci sur ces thématiques, à la fois sur le plan national et international. Le financement de ce projet consisterait donc en un soutien fort et une incitation pour le laboratoire à continuer dans cette direction.
Publications et brevets : Deep focus earthquake analogs recorded at high pressure and temperature in the laboratory, A. Schubnel, F. Brunet, N. Hilairet, J. Gasc, Y. Wang and Harry W. Green II, Science, 341, 1377-1380, 2013.