SISMANTILLES 1 et 2+ OBSAntilles+OBSISMER 1 et 2

Valorisation des campagnes à la mer
Navires Ifremer - IRD - IPEV
Fiche “ Valorisation des résultats des campagnes océanographiques en série”
(à envoyer par courriel à [e-mail] )
Nom de la série de campagnes: SISMANTILLES – OBSAntilles
Projet ou programme de rattachement : ANR SUBSISMANTI / Projet UE « THALES WAS RIGHT »
Année du début de la série : 2001
Nom de la campagne : SISMANTILLES 1
Navire : Nadir
Engins lourds : SMT
Dates de la campagne : Déc. 2001
Nombre de jours sur zone/en transit :
Zone(s) : Avant-arc des Petites Antilles, de la Martinique
à La Guadeloupe
Chef de mission principal (Nom, prénom et organisme) : Alfred Hirn (IPG Paris)
Nombre de chercheurs et d’enseignants-chercheurs (en mer / à terre) :
Nombre d’ingénieurs et de techniciens (en mer / à terre) :
Nombre d’étudiants (en mer / à terre) : 1
Nom de la campagne : SISMANTILLES 2
Navire : L’Atalante
Engins lourds : OBS
Dates de la campagne : 25 Janv. 2007 – 24 févr. 2007
Nombre de jours sur zone/en transit : 29 jours
Zone(s) : Avant-arc des Petites Antilles, de la Martinique
à Antigua
Chef de mission principal (Nom, prénom et organisme) : Laigle Mireille (IPGP-CNRS)
Nombre de chercheurs et d’enseignants-chercheurs (en mer / à terre) : 8/7
Nombre d’ingénieurs et de techniciens (en mer / à terre) : 3/1
Nombre d’étudiants (en mer / à terre) : 9/1
Nom de la campagne : OBSAntilles
Navire : Antéa
Engins lourds : OBS
Dates de la campagne : 06/04 - 02/05/07
Nombre de jours sur zone/en transit : 27 jours
Zone(s) : Avant-arc des Petites Antilles, de la Martinique
à Antigua
Chef de mission principal (Nom, prénom et organisme) : Charvis Philippe (Géoazur – IRD)
Nombre de chercheurs et d’enseignants-chercheurs (en mer / à terre) : 4/7
Nombre d’ingénieurs et de techniciens (en mer / à terre) : 6/1
Nombre d’étudiants (en mer / à terre) : 1/2
Nom de la campagne : OBSISMER 1 et 2
Navire : Antéa
Engins lourds : OBS
Dates de la campagne :
Nombre de jours sur zone/en transit : 2x4 jours
Zone(s) : Avant-arc de la Martinique
Chef de mission principal (Nom, prénom et organisme) : Charvis Philippe (Géoazur – IRD)
Nombre de chercheurs et d’enseignants-chercheurs (en mer / à terre) : 2/4
Nombre d’ingénieurs et de techniciens (en mer / à terre) : 1/1
Nombre d’étudiants (en mer / à terre) :
Fiche remplie par : Ph. Charvis et M. Laigle
Date de rédaction ou d’actualisation de la fiche : 24/01/2013
Adresse : Géoazur – Observatoire de la Côte d’Azur
Université Nice Sophia Antipolis – CNRS – IRD
Bât 1, 250 rue Albert Einstein – Les Lucioles 1, Sophia Antipolis – 06560 Valbonne – France
Email : philippe.ch[email protected]
Tel : [phone]
[phone]
Fax : [phone]

Valorisation des campagnes à la mer
Navires Ifremer - IRD - IPEV
Résultats majeurs obtenus
1 à 3 pages destinées à informer un large public sur les résultats obtenus

Valorisation des campagnes à la mer
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1 – Contexte scientifique et programmatique de la campagne
Le programme SISMANTILLES est un effort national et européen pour comprendre le fonctionnement de la zone de
subduction des Petites Antilles, où contact la lithosphère Atlantique plonge la lithosphère Caraïbe, zone source potentielle de
très grands séismes de chevauchement qui constituent le plus grand risque sismique et de tsunamis aux Antilles. L’évaluation
quantitative de ces aléas requiert des campagnes d’observations sismologiques, géophysiques et géologiques.
Afin de combler une lacune d'observations dans ce domaine, plusieurs campagnes géophysiques à la mer ont été conduites
depuis janvier 2007 dans l’arc des Petites Antilles, au large de la Martinique, Dominique, Guadeloupe et Antigua :
SISMANTILLES_II (N/O Atalante), TRAIL (F/S S.M. Merian) et OBSAntilles (N/O Antéa). Un programme d’observation de
la sismicité au large de la Martinique (CPER OBSISMER – Région Martinique) a été conduit depuis des navires d’opportunité
ou occasionnellement depuis l’Antéa (campagne OBSISMER 1 et 2 en 2008).
Ce programme a été soutenu par les commissions nationales au titre des moyens nationaux à la mer d'IFREMER et de l’IRD
opérés par GENAVIR. Lors de la campagne SISMANTILLES_II différentes techniques géophysiques ont été mises en œuvre :
la bathymétrie multifaisceaux, la sismique multitraces (SMT) avec la flûte 360 canaux de 4,5 km de longueur. Ici la pénétration
de la sismique a été assurée par la source "monobulle", méthode mise au point lors de la campagne STREAMERS en 1993
(Avedik et al., First Break, 1995), et amplifiée à sa version 8100 in3 à 12 canons employée dans SEISMARMARA (Hirn et al.,
EGS, 2002).
Au total, ce sont près de 34000 tirs à partir de l’Atalante dont 27000 enregistrés par la flûte de 4.5 km (4800 km de profils en
tout) qui ont été réalisés pendant SISMANTILLES-II avec la source en configuration monobulle à 8867 in3.
SISMANTILLES-II s’est articulée avec 2 autres campagnes à partir d’autres navires, suscitées et coordonnées dans le cadre
des programmes SUBSISMANTI de l'ANR « Catastrophes Telluriques et Tsunamis » et THALES WAS RIGHT, programme
européen sur les subductions actives Antillaise et Hellénique. Le programme SISMANTILLES est basé sur une large
coopération entre des laboratoires français : l’IPG de Paris et ses observatoires volcanologiques de Guadeloupe et de
Martinique et Géoazur à Nice, et européens : l’IFM GEOMAR à Kiel (Allemagne) et le CSIC à Barcelone (Espagne).
Ceci a permis entre autre la mise en œuvre d’une centaine d’OBS, instruments des parcs nationaux de l’IRD-Géoazur et de
l’INSU-IPGP et européens (GEOMAR) et autant de sismomètres à terre (réseaux permanents IPGP et SRU, parcs
d'instruments portables de l'INSU et participants européens). Un nombre significatif de ces sismomètres sont à bande élargie,
une originalité notable pour ce qui est des OBS, qui a permis de détecter des signaux transitoires basse fréquence.
Ainsi la campagne TRAIL de l’institut IFM-GEOMAR de Kiel avec le navire allemand F/S S. M. MERIAN, suscitée au sein
du programme THALES WAS RIGHT avec E. Flueh et H. Kopp comme chefs de mission, a eu lieu du 3 au 19 Janvier 2007.
L’équipe scientifique incluait des participants aux autres campagnes et vice-versa. Après 2 grands transects de réfraction à
travers l'arc long de 280 km, le F/S Merian a largué sur la grille 60 OBS appartenant à IFM-GEOMAR, et à l'UMR Géoazur
(Université de Nice Sophia Antipolis, CNRS, IRD, Observatoire de la Côte d’Azur), les préparant ainsi à l’enregistrement des
tirs de SISMANTILLES_II.
Le N/O ATALANTE qui a déployé un ensemble supplémentaire d’OBS constitué de 20 OBH de GEOMAR et de 23 OBS de
l’INSU-IPGP a ensuite effectué sans la flûte sismique les profils en eau peu profonde, puis l’ensemble des profils SMT
enregistré simultanément par la flûte sismique et le réseau OBS, et enfin récupéré les 20 OBH de GEOMAR.
La campagne OBSANTILLES du N/O ANTEA a permis de récupérer, au mois d’avril 2007, les 70 OBS laissés après la
campagne SISMANTILLES_II pour l'écoute de la sismicité et d'en re-déployer une partie jusqu'en Novembre 2007.
Au total 104 sites d'observations sismique au fond de la mer ont été ainsi occupés simultanément. Plus de 40 sites ont été
temporairement occupés à terre.
Le projet OBSISMER est un programme d’observation de la sismicité au large de la Martinique, financé par le CPER de la
région Martinique. Il a permis dans le cadre d’une coopération en l’IPG de Paris et Géoazur Nice la construction et la mise en
œuvre d’un parc de 8 OBS. Ces sismomètres ont été déployés régulièrement de 2005 à 2009, afin de permettre une observation
quasi continue de la microsismicité, à partir de navires d’opportunité (le navire de pêche OCEANA a été affrété à plusieurs
reprises ainsi qu’occasionnellement le navire du service des « Phares et Balises » de Martinique) mais aussi en 2008 lors de
deux brèves campagnes conduites depuis l’Antéa qui se trouvait alors sur zone. Ces données ont en particulier contribué à un
article en cours de révision (Laigle et al., en révision).
2 – Rappel des objectifs
Les objectifs précis sont la cartographie de l’interplaque de subduction dans sa partie potentiellement sismogénique le long de
l’Arc des Petites Antilles, du Nord de la Guadeloupe et Antigua jusqu’à la Martinique en passant par la Dominique, contribuant
à l'identification et la localisation à l'avance de la zone de rupture maximale de possibles séismes majeurs futurs, et la
recherche de signaux transitoires de l'activité sismique. Pour atteindre ces objectifs, cette campagne a mis en œuvre les
méthodes spécifiques pour l'imagerie profonde de sa structure et de son activité sismique.
La zone de travail s’est étendue du Sud de la Martinique à 14°30' N, en passant par la Dominique, la Guadeloupe et jusqu'à
Antigua a 17° 30' N. Sur 260 km de long, 7 profils longitudinaux espacés d'une vingtaine de kilomètres ont été réalisés, ainsi
qu'une douzaine de transects allant jusqu'à 120 km des côtes. Les nœuds de cette grille de profils étaient occupés par des
capteurs-enregistreurs sismiques fond de mer OBS qui sont restés plusieurs mois au fond pour enregistrer les séismes locaux.

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Pour cartographier la localisation et variation spatiale de cette zone sismogénique potentielle, la géométrie et les paramètres de
la grille de profils reflexion-réfraction ont été fixés au préalable grâce aux résultats structuraux issus de la première campagne
de reconnaissance SISMANTILLES (2001, N/O NADIR). En plus des études structurales réalisées par sources artificielles, les
séismes locaux, enregistrés par le réseau d'OBS qui était dense et étendu, apportent un éclairage des structures qui sont actives.
En Janvier, le Navire Océanographique (N/O) Maria S. Merian a déployé un réseau de 60 OBS à l’ouest d’Antigua, de la
Guadeloupe, de la Dominique et de la Martinique dans le cadre d’une coopération avec nos collègues allemands de l’IFM-
Geomar (Kiel, Allemagne). En Février, le N/O Atalante de l’IFREMER a déployé 20 OBS complémentaires et réalisé une
vaste opération d’imagerie sismique qui permettra d’obtenir des images détaillées des déformations associées au plongement
de la plaque Atlantique sous les Caraïbes.
Le réseau de 80 OBS a enregistré pendant près de 3 mois la microsismicité associée au rapprochement des plaques et à la
déformation de l’arc des Antilles. Ce réseau a été récupéré au cours de la campagne OBSAntilles depuis le N/O Antéa de l’IRD
qui a redéployé 30 OBS de Géoazur pour une nouvelle période de 4 mois.
Il faut souligner l’importance de ce projet, au cours duquel pour la première fois jusqu’à 80 OBS déployés simultanément en
mer et ont enregistré la sismicité pendant une période allant jusqu’à 6 à 7 mois.
3 – Principaux résultats obtenus
1 : Imagerie de la structure fine jusqu’au socle par SMT et segmentation le long de l’arc
La cible de cette étude porte sur la limite amont (updip) de la zone de contact entre la croûte avant-arc et la croûte océanique
qui correspond en première approximation à la limite amont de la portion sismogénique de l’interplaque de subduction. La
géométrie de cette grille (Fig. 1, profils en rouge) a été construite sur la base des résultats d’imagerie sismique de la précédente
campagne SISMANTILLES. Cette grille consiste en un ensemble de 7 longs profils parallèles à la subduction (300 km de long,
espacés de 15 km) et de 12 profils perpendiculaires (150 km de long, espacés de 25 km).
Ces 12 transects révèlent le socle au toit de la croûte avant-arc avec le pendage caractéristique vers la fosse, jusqu’à des
distances de 160-190 km de l’arc volcanique et jusqu’à 5 s temps double sous le fond de mer. Au-delà de la zone de transition
entre le bassin avant-arc profond et le prisme d’accrétion, le toit de la croûte océanique et le décollement sont imagés avec le
pendage caractéristique vers l’arc jusqu’à 70-80 km du front de déformation et jusqu’à 6-7 s temps double sous le fond de mer
avant de le perdre dans le 1er multiple du fond de l’eau (12-15 km de profondeur). Avec deux des profils de la 1ère campagne,
nous disposons de deux profils supplémentaires allant jusqu’au front de déformation (Fig. 2). Un résultat de premier ordre est
la très grande variation dans le domaine avant-arc de la topographie du socle d’un profil à l’autre, autrement dit le long de la
subduction. Un deuxième résultat de premier ordre porte sur les structures révélées par migration profondeur avant-sommation
attestant de la déformation active du domaine avant-arc (Fig. 2, profil E et L) dans le prolongement des deux rides asismiques
(Tiburon et Barracuda) portées par la lithosphère océanique et subductant de manière oblique par rapport à la direction de
convergence (Laigle et al, accepté). Une nouvelle thèse a démarré à l’UAG en 2011 sous la co-direction de Boris Marcaillou et
de Mireille Laigle pour le traitement sismique avancé des profils allant jusqu’à la fosse dans la partie Nord et a pour objectif de
finement quantifier les vitesses du prisme, du chenal de subduction et du bassin avant-arc. Ce travail s’inscrit dans la
collaboration établie avec la future camapgne ANTITHESIS (Chef de mission B. Marcaillou).
Les publications en cours de révision permettront de documenter pour la première fois la déformation de la croûte avant-arc
elle-même en réponse à la subduction de reliefs portés par la plaque plongeante (Laigle et al., en révision).
2 : Structure sismique 2D à l’échelle de l’arc
Les deux profils de tirs réalisés pendant la campagne TRAIL (R/V Merian, PI Flueh) longs de 280 km recoupant tout l’arc (Fig
1, profils en bleu) montre que la croûte sous l’arc des Antilles atteint 25 km d’épaisseur, et que cette croûte est d’épaisseur
constante sous tout le domaine avant-arc, et pas uniquement localisée sous l’arc volcanique. Nous reconnaissons dans l’avant-
arc une zone interne, nommée bloc Karukera où cette croûte relativement épaisse pour une subduction intra-océanique présente
un réflecteur interne à des profondeur de 17 à 21 km, avec des vitesses relativement élevée dans la partie inférieure. (Evain et
al., 2011 ; Kopp et al. 2011). Ces observations bien établies pour le profil de Sud-Guadeloupe sont en cours d’étude pour le
profil Nord-Martinique. Nous proposons que cette région est un fragment du plateau océanique Caraïbe où la croûte océanique
a été épaissie par des processus intrusifs et éruptifs lorsque la lithosphère Caraïbes est passée au-dessus de la tête du panache
des Galapagos il y a 90 Ma. L’une des principales conséquences en terme de sismogénèse est une plus grande largeur de la
zone de contact croute/croute (60 km) que considérée auparavant.
3 : Inversion tomographique des tirs enregistrés par le réseau d’OBS
Tous les tirs ayant été enregistrés par les OBS (Fig. 1, profils en rouge et mauve), une inversion tomographique 3D des temps
de 1ères arrivées complète la vue 2D que l’on a à partir des profils sismiques. Pour le moment réalisée dans la partie sud, la
tomographie des premières arrivées permet d’obtenir un modèle de vitesse jusqu’à 15 km de profondeur du domaine avant-arc.
La zone interne de l’avant-arc caractérisée par un gradient de vitesse sismique élevée apparaît comme un bloc rigide, basculé
vers le sud et qui représenterait le prolongement en profondeur du socle mésozoïque affleurant à la Désirade. L’avant-arc

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externe est caractérisé par un gradient de vitesse sismique plus faible et son toit est largement déformé par la subduction des
reliefs de la plaque plongeante.
L’activité sismique pendant la durée de la campagne est concentrée dans la croûte inférieure et principalement sous l’avant-arc
interne (Figure 3). Ceci suggère que la micro-sismicité dans cette zone est en partie contrôlée par la structure de la plaque
chevauchante. Une première hypothèse serait que la partie interne de l’avant-arc plus dense augmenterait la contrainte
verticale, augmentant la sismicité associée.
Figure 3 – Superposition de la structure de vitesse de l’avant-arc à 9 km de profondeur et des épicentres des séismes
enregistrés pendant une période de 8 mois analysée par les OBSs de la moitié Sud [Evain et al., 2011 ; Ruiz et al., 2011]. A
cette profondeur l’avant-arc interne apparait avec des vitesses sismiques élevées sauf au large de la Martinique où, associé à
un basin sédimentaire épais, le toit du socle est plus profond. Notons que l’essentiel de la sismicité est concentré dans la partie
où le bloc Karukera est bien exprimé au niveau de la bathymétrie. Ligne continue noire : position du butoir ; ligne pointillée
noire : frontière entre l’avant-arc interne et externe.
4 : Recherche des conditions d’observation de signaux transitoires de zone de subduction sur le réseau d’OBS
Sur l’ensemble des 80 OBS couvrant la zone, nous avons pu réunir 24 sismomètres fond de mer large-bande, un déploiement
probablement réunissant l’un des plus grand nombre de capteur de ce type. L'objectif est d’essayer d’y détecter éventuellement
des signaux transitoires dans l’enregistrement continu de ce réseau dense d’OBS, du type trémors non-volcaniques et séismes
lents. Il s’agit de ceux récemment détectés au Japon et dans la région des Cascades, qui sont discutés en relation avec l’activité
de fluides dans la région de l’interplaque et qui pourraient dans certains cas constituer des signaux précurseurs de méga-
séismes.
Nous avons dû à la fois faire face à la recherche de tels signaux en domaine marin, à la diversité des spécificités techniques des
capteurs et à la diversité géologique des sites occupés. Les signaux périodiques observés ont été interprétés comme en relation
avec des courants de marée mais des signaux très basse fréquence, en relation avec les modes propres de la terre ont été
détectés [Bécel et al., 2011 ; Bécel et al., sous-presse].
5 : Localisations des séismes locaux
Les premiers résultats montrent que la partie sous le prisme d'accrétion est silencieuse. Seule la partie profonde de la zone de
contact entre la croûte avant-arc et la croûte océanique montre une activité sismique. Les corrections de sédiments et de boue
sous chaque OBS ont été prises en compte pour ne pas se tromper de 10 km en profondeur sur les hypocentres. Ces
déterminations fiables des profondeurs nous ont permis de mettre en évidence deux particularités majeures dans la sismicité
enregistrée et qui présentent des similarités avec la sismicité de la fosse du Japon (mise en évidence avant Tohoku) : 1- le coin
mantellique est sismiquement actif avec des mécanismes en extension. 2- Au large de la Martinique, des séismes en
chevauchement plats de M~5 se produisent de façon répétées sur l’interplaque à 43 km de profondeur. Ces deux observations
remettent en question l’hypothèse généralement considérée dans ce cas de subduction plutôt froide : la serpentinisation d’un
coin mantellique péridotitique qui limite en profondeur la partie sismogénique de l’interplaque. Nous proposons d’associer
l’origine particulière de ce fragment de plateau océanique à la composition chimique hétérogène du manteau lithosphérique et
à la présence d’un bi-matériau (péridotite et pyroxénite) qui conserve des rhéologies très différentes lors des processus de