ISTerre - Institut des Sciences de la Terre

ANR "Tibetan Orchestra"

Anne REPLUMAZ — 2021-02-08T15:41:30Z

La faille de XianShuihe, qui traverse le Sud-Est du plateau du Tibet, faille la plus active de Chine. Dans ce projet nous voulons comprendre l'orchestration dans le temps et dans l'espace de la faille de Xianshuihe et des chevauchements de la Yalong et des LongmenShan qui épaississent le Tibet, qui fait trembler un lac et déstabilise les sédiments accumulés sur les bords.

logo de l'ANR "Tibetan Orchestra"
orchestration dans le temps et dans l'espace des failles du Sud-Est Tibet pour contraindre leur rôle mécanique dans la formation du plateau à différentes échelles de temps, études thermo-pétro-chronologiques sur le long terme, étude géodésique InSAR et GPS sur le court terme, complétée par une étude du cycle sismique en utilisant les enregistrements lacustres.

Transient Surface Deformations Caused by the Gotthard Base Tunnel

Anaïs SCHNEIDER, Anne REPLUMAZ — 2017-01-13T15:21:03Z

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The Gotthard Base Tunnel (GBT) is a 57 km long and up to 2500 m deep railway tunnel which was constructed between 2000 and 2011 in the Central Alps of Switzerland. As drainage of fractured rocks by deep tunnels accompanied by significant decrease in groundwater pressure causes large scale deformations even in hard crystalline rocks, a comprehensive surface deformation and tunnel inflow monitoring system has been established and operated for more than ten years. This paper presents the unique results from this monitoring system and explains the observed hydro-mechanically coupled and transient rock mass behavior based on detailed assessments of geological, geomechanical and hydrogeological conditions and conceptual continuum models.

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La Mission Franco-Bolivienne Paléoenvironnement et Archéologie du Rio Guaquira – Tiwanaku (Bolivie) : une méthode d'étude interdisciplinaire des interactions entre les Sociétés Anciennes et l'Environnement

Anaïs SCHNEIDER, Anne REPLUMAZ, Jérôme WEISS — 2016-11-14T15:29:27Z

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Les travaux que nous proposons de réaliser dans le cadre de la Mission Franco-Bolivienne Paléoenvironnement et Archéologie du Rio Guaquira – Tiwanaku tentent de reconstruire l'évolution du paysage au contact d'une des cultures les plus emblématiques des Andes. La culture Tiwanakota s'est développée sur les bords du lac Titicaca entre la fin du deuxième millénaire avant notre ère et disparait entre 1100 et 1200 après J.-C. Les données paleoenvironnementales acquises sur le lac Titicaca attestent de nombreuses fluctuations au cours de la période culturelle Tiwanaku. Les travaux réalisés au cours des années 90 sur l'évolution du niveau du lac Titicaca ont permis d'avancer l'hypothèse d'une sècheresse ayant affecté l'ensemble de l'Altiplano et qui aurait entrainé la disparition de la culture Tiwanakota. Cependant, peu d'études paléoenvironnementale et paléogéographique ont concerné le bassin versant du Río Guaquira – Tiwanaku, écosystèmes centraux de la civilisation Tiwanaku. Nous présenterons ici la méthodologie et les premiers résultats des travaux que nous avons mené sur ce bassin versant et qui permettront de mieux comprendre les interactions entre la culture Tiwanakota et l'environnement immédiat du site archéologique le plus important du secteur andin.

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Le mystère des ravines de la planète Mars

Anaïs SCHNEIDER, Anne REPLUMAZ, Jérôme WEISS, Mathilde RADIGUET — 2016-11-14T15:29:04Z

– http://podcast.grenet.fr/episode/francois-forget_le-mystere-des-ravines-de-la-planete-mars/

Depuis 2000, les caméras embarquées sur les satellites en orbite autour de la planète Mars ont rapporté de multiples images montrant la présence de chenaux et de cônes de débris, d'aspect analogue à ceux créés sur Terre par l'action de l'eau liquide sur les pentes d'éboulis, avec des "levées" latérales, et parfois un parcours sinueux. Dés lors, ces observations ont suscité un vif intérêt car la formation de ces ravines ("gullies" en anglais) semblait récente, avec un âge apparent inférieur à quelques millions d'années, voire seulement quelques années. Elles relançaient l'idée que des quantités non négligeables d'eau liquide potentiellement propice à une forme de vie pouvaient se former sur la planète Mars aujourd'hui. De nombreux scénarios ont été élaborés pour expliquer ces écoulements, impliquant par exemple des nappes aquifères souterraines. Dès 2002 nous avions proposé que les ravines auraient pu se former il y a quelques centaines de milliers d'années, car la fonte de la glace était alors possible à la suite des changements climatiques liés aux variations d'obliquité de la planète. De nouvelles observations ont toutefois révélé que certaines ravines se formaient encore aujourd'hui, et ce non pas là ou la température dépassait 0°C, mais au contraire lorsque elle était si basse que l'atmosphère de CO2 se condensait à -135°C ! Comment expliquer cela ? Avec Cedric Pilorget (IAS) nous avons montré que sous la glace de CO2 chauffée par le soleil, d'intenses mouvements de gaz peuvent déstabiliser et fluidifier le sol jusqu'à parfois créer des coulées d'aspect analogue à celles générées par un liquide. Les ravines martiennes seraient donc le résultat d'un phénomène géologique typiquement martien, sans équivalent sur notre planète.

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Sciences, pseudo-sciences et autodéfense intellectuelle

Anaïs SCHNEIDER, Anne REPLUMAZ — 2016-09-12T13:32:05Z

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Je propose un survol des enjeux de société que recouvrent les questions de démarcation entre sciences et pseudosciences : questions de recherche à proprement parler ; questions sanitaires quand il s'agit de s'y retrouver dans une offre thérapeutique buissonnante ou de conduire une politique de santé ; questions politiques quand l'analyse des politistes se fait déborder par les propos de comptoir ; questions morales quand des scénarios complotistes prennent le pas sur la sociologie ; questions éducatives, quand il s'agit de fournir aux étudiants et futurs citoyens les clés nécessaires pour instruire un doute méthodique et raisonnable, et les moyens de faire leurs propres choix en pleine connaissance de cause.

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Fault weakening mechanisms in carbonate-bearing rocks during earthquakes

2016-08-03T16:26:00Z

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That earthquake physics is controlled by the mineral reactions and phase changes triggered by the passage of the seismic rupture and, as a consequence, by the rheology of the reaction products. Here, by exploiting the results of (1) field and microanalytical studies conducted on natural fault products, and (2) experimental studies reproducing the extreme deformation conditions typical of seismic slip, we will discuss the mineral reactions and phase changes concomitant to and responsible of fault weakening in carbonates during earthquakes.. Moderate to large earthquakes (e.g., Wenchuan Mw 7.8, 2008 ; L'Aquila Mw 6.1, 2009) often rupture and propagate along faults in carbonate-bearing rocks (dolostones, limestones, marbles, etc.). Because of the large stresses (hundreds of MPa at >10 km depth) and slip rates (about 1 m/s ) involved, a large amount of frictional work rate (product of frictional shear stress per slip rate) is dissipated along faults during earthquakes. The frictional work rate can be so large (1 to 100 MW m-2) as to grind and mill the rock (producing particles of nanometric size, or nanopowders) and trigger mechanically- and thermally-activated chemical reactions. Under these extreme deformation conditions, the fault surfaces in carbonates are separated by fluids or other tribochemical products (nano-powders, amorphous and decarbonation products, etc.). It follows that earthquake physics is controlled by the mineral reactions and phase changes triggered by the passage of the seismic rupture and, as a consequence, by the rheology of the reaction products. Here, by exploiting the results of (1) field and microanalytical studies conducted on natural fault products, and (2) experimental studies reproducing the extreme deformation conditions typical of seismic slip, we will discuss the mineral reactions and phase changes concomitant to and responsible of fault weakening in carbonates during earthquakes.

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L'hydrogène dans la croûte terrestre : surprises scientifiques et enjeux économiques

2016-08-03T09:23:11Z

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La découverte ces vingt dernières années de sources naturelles d'hydrogène associées à des circulations de fluides hydrothermaux dans des roches ultramafiques, sous les océans comme sur les continents, soulève des questions de premières importances en science de la Terre sur les quantités mis en jeux et sur le potentiel énergétique que cette ressource pourrait représenter. Cet hydrogène produit par serpentinisation (hydrolyse) de l'olivine, est alors vu tour à tour comme une source d'énergie pour des développements bactériens à grande profondeur dans la lithosphère, comme un réactif nécessaire à la génération d'hydrocarbures abiotiques, ou comme une ressource énergétique décarbonée. A l'heure actuelle, l'intégralité des recherches sur le la génération naturelle d'hydrogène, qu'elles soient basées sur des expériences en laboratoire ou sur des mesures sur le terrain, se concentrent sur la serpentinisation des roches ultramafiques. Pourtant, il existe bien d'autres réactions pouvant produire de grande quantité d'H2 dans des contextes géologiques variés. Le rôle de cet hydrogène sur les grands cycles géochimiques ou sur les processus concentrateurs de métaux est également très peu investigué. Nous verrons dans cet exposé que l'hydrogène naturel nous réserve bien des surprises et que de nombreux paradigmes en géosciences sont à revisiter. Nous suivrons l'hydrogène au cours de son long voyage au travers de la lithosphère, depuis les réactions qui lui donnent naissance, jusqu'à son échappement vers l'atmosphère et l'espace. A cette occasion, nous explorerons notamment son comportement et sa mobilité dans la croûte terrestre. Nous porterons attention à sa réactivité avec les roches, les minéraux et les espèces dissoutes dans les fluides géologiques. Enfin, nous verrons que ces nouvelles découvertes apportent un nouvel éclairage sur des sujets aussi variés que la chimie prébiotique, les ressources minérales, ou encore la transition énergétique.

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94.Géodynamique : simulations numériques et expériences de laboratoire

2016-08-03T09:14:50Z

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Dans ce séminaire je présenterai une variété de processus physiques qui ont joué un rôle clef dans la différentiation de la Terre et qui affectent, encore aujourd'hui, sa dynamique interne. Je présenterai des simulations numériques et des expériences de laboratoire, en me focalisant sur la formation et la stabilité des continents, et sur l'interaction entre les panaches mantelliques et les hétérogénéités dans le manteau profond. Je montrerai aussi des expériences de convection conduites dans un four à micro-ondes, un exploit technologique réalisé dans notre laboratoire [e.g., Limare et al., JFM 2015].

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Modélisation Analogique du processus de subduction continentale

Anne REPLUMAZ — 2014-03-25T15:39:33Z

Modélisation analogique de la subduction des continents Indien et asiatique

L'analyse de la tomographie globale couplée à la reconstruction tectonique montre la présence de slabs dans le manteau correspondant à la subduction des lithosphères indienne et asiatique. La subduction de la lithosphère asiatique sous le Tibet central est aussi montrée par le volcanisme dans le bloc du Qiangtang, entre 50 et 35 Ma (Goussin et al., 2020).

Ces dernières années, j'ai exploré l'apport des expériences analogiques pour étudier ces subduction continentales.
Dans un premier temps en 2011, j'ai réalisé, en collaboration avec Claudio Faccenna (Université Roma 3, thèse de Flora Bajolet et Master Romain Lainé), des expériences analogiques silicone/glucose pour étudier l'influence de la subduction continentale de l'Inde (silicone plus légère que le sirop de glucose du manteau) sur la formation de la courbure de l'arc Himalayen. Nous avons montré que lorsque le manteau est peu visqueux (sirop de glucose plus chaud), la zone de subduction est bien lubrifiée, et la subduction continentale est continue. Dans ce cas, on observe une courbure de la suture convexe vers la plaque supérieure et des syntaxes avec une amplitude similaire à celle de l'arc himalayen (Bajolet et al., 2013).

Dans un deuxième temps en 2015, j'ai étudié La subduction de la lithosphère asiatique sous le Tibet central, en collaboration avec Francesca Funiciello (Université Roma 3, Master Marie Balon et Paul Pitard). Nous avons réalisé des expériences silicone/miel pour étudier comment cette subduction de la lithosphère continentale asiatique est possible. Nous avons montré que cette subduction se produit alors que le slab n'est pas attaché à une plaque océanique lourde. La force principale n'est pas le slab pull, qui est négatif pour un slab plus léger que le manteau, mais les forces tectoniques horizontales, qui se transmettent du piston, qui simule la collision en poussant l'Inde, à l'Asie. Nous avons appelé ce processus la subduction collisionelle de l'Asie (Replumaz et al., 2016). Nous avons réalisé une autre série d'expérience en éclairant la boite par-dessous, permettant de suivre le flux mantéllique au cours du temps pendant cette subduction (Pitard et al., 2018).

détermination des épisodes de subduction continentale pendant la collision

Anne REPLUMAZ — 2012-01-06T11:50:28Z

J'ai corrélé les résultats de la reconstruction avec la tomographie globale (collaboration avec Rob van der Hilst chercheur au MIT, puis avec Antonio Villaseñor, chercheur à Barcelone). Cette technique permet de suivre en profondeur dans le manteau, l'évolution de la géométrie du slab. En effet, le slab étant plus froid que le manteau environnant, il apparait comme une anomalie positive de vitesse sismique. Plus on s'enfonce dans le manteau, plus en remonte dans l'histoire de la collision, en visualisant la zone de subduction "fossilisée". L'intérêt de la reconstruction est alors d'avoir une reconstitution des limites des continents (en noir, Fig. 4) et de pouvoir corréler les grands changement dans la géométrie du slab (en bleu sur les coupes tomographiques) avec les grands changements en surface. Par exemple entre 600 et 900 km, la géométrie du slab change à l'est et elle est superposable le changement due à l'extrusion (Fig. 4). Entre 1500 et 1100km, la position du slab est stable, correspondant à la subduction océanique pré-collisionnelle. Elle est superposable avec la limite du dernier stade de la reconstruction, ce qui montre que nous avons bien pris en compte l'essentiel de la déformation asiatique.

Figure 4 (Replumaz et al., 2004) : corrélation de la limite des continents Inde-Asie (en noir), issue de la reconstruction,
avec la géométrie du slab, en bleu sur ces coupes tomographiques : en haut avant l'extrusion (coupe à 1100 km de profondeur), en bas après l'extrusion (coupe à 200 km)

Subductions continentales pendant la collision Inde/Asie

Les subductions continentales lors de la collision Inde/Asie sont un des mécanismes géodynamiques les moins bien contraints, alors qu'elles conditionnent l'absorption de la convergence au niveau du manteau lithosphérique. La tomographie globale permet d'imager ces subductions continentales. Au Nord/Ouest de la zone de collision Inde/Asie, on observe un slab indien vertical plongeant vers le nord jusqu'à 600km de profondeur, au contact d'un slab asiatique moins raide, qui plonge vers le sud jusqu'à 400 km seulement (Fig. 5). Cette géométrie très bien contrainte permet d'étudier un cas actuel de subduction continentale.

Figure 5 (Negredo et al., 2007) :
a/ sismicité du nord-ouest de la zone de collision, montrant deux zone de subduction en contact, une subduction asiatique, courbe et à pendage sud, et une subduction indienne, très étroite et à pendage nord.
b/ coupe tomographique perpendiculaire au slab indien, vertical jusqu'à 600 km de profondeur. c/ schéma simplifié de la géométrie des slabs.

Les anomalies tomographiques plus profondes ont été reliées à des épisodes de subduction continentale plus anciens (Replumaz et al., 2010a). Un bilan de la convergence absorbée pas ces subductions a pu être réalisé (Fig. 6). Ces travaux ont été réalisés en collaboration avec Ana Negredo, professeur à Madrid.

Figure 6 (Replumaz et al. 2010a) : a/ en pointillé noir : projection horizontale des anomalies tomographiques reliées à des morceaux de lithosphère indienne subductés au cours de la collision.
b/ position de ces morceaux sur le contour de l'Inde à l'initiation de l'indentation de l'Asie.

L'anomalie principale, IN, a été étudiée en détail. Nous avons pu estimer l'âge de l'épisode de subduction correspondant à cette anomalie, probablement entre 40 et 15 Ma (Figure 7). Cet épisode se termine par un déchirement progressif du slab, qui se propage d'ouest en est (Replumaz et al., 2010b).

Figure 7 (Replumaz et al. 2010b) : a/ coupes verticales montrant l'évolution géométrique d'Est en Ouest de l'anomalie tomographique IN
b/ évolution schématique de la subduction continentale correspondant à cette anomalie
c/ schema montrant le breakoff progressif du slab, et l'emprise de cette subduction sur le continent Indien

bilan de la déformation crustale

Un premier bilan de la déformation crustale, entre l'épaississement, l'extrusion, l'érosion et le recyclage dans le manteau, a été réalisé pour chaque bloc principal (Fig. 8). Ce travail a montré que environ 50% de la croûte Indienne a été recyclé dans le manteau, et seulement 3% de la croûte asiatique (Replumaz et al., 2010c).

Figure 8 (Replumaz et al., 2010c) : a/ géométrie actuelle des principaux blocs de la zone de collision Inde/Asie, Tibet, Indochine et Himalaya.
b/ géométrie des blocs à 45 Ma déduit de la tomographie du manteau.