Les plus grands séismes du monde se produisent dans des zones sismogéniques de failles de chevauchement de subduction, qui se verrouillent entre des séismes de forte magnitude. À la limite supérieure de zones sismogéniques, une zone de transition se forme si l’interface de subduction n’est pas verrouillée solidairement à la fosse. Dans cette zone de transition, un éventail de comportements de déplacement, incluant des épisodes de glissement sismique qui se propagent jusqu’à la fosse, des épisodes de glissement lent (EGL), des trémors, des séismes de basse fréquence (SBF) et des séismes de très basse fréquence (STBF), sont relevés à la lumière d’ensembles de données géodésiques et sismologiques. Il a été postulé que le glissement dans les zones de transition chargerait la zone sismogénique et pourrait précéder des tremblements de terre de grande magnitude. La compréhension de la mécanique du glissement dans les zones de transition est donc importante pour la caractérisation du cycle sismique. Les roches faillées exhumées de zones de subduction renferment de l’information sur la composition, la structure et le comportement de ces zones de subduction. Le présent mémoire se penche sur les structures de déformation dans un mélange de subduction (le mélange de Mugi, au Japon) peu profond (T = 190°C) exhumé, afin d’en apprendre davantage sur la mécanique de la déformation dans les zones de transition peu profondes. La cartographie, des observations microstructurales, des expériences et des modèles sont utilisés pour caractériser la répartition des surfaces de glissement et relier les surfaces observées aux observations géophysiques. La cartographie de terrain de blocs et de plaques basaltiques (encastrés dans une matrice de schiste) réalisée dans le cadre de la présente étude a démontré qu’un glissement instable s’est produit le long de leurs bordures altérées, où nous documentons la présence de cataclasites et de surfaces de glissement bien développées. Nous faisons état du premier cas documenté de pseudotachylite (produit de fusion frictionnelle refroidi rapidement) dans un hôte basaltique, identifiée selon des critères microstructuraux, le long du contact supérieur d’une plaque basaltique altérée. Il est démontré que la déformation dans le basalte altéré s’est opérée par cataclase et glissement rigide, alors que la matrice de schiste l’entourant s’est déformée par des processus distribués modulés par la solution par pression. Des expériences triaxiales de frottement ont été réalisées sur des échantillons naturels broyés de basaltes altérés et de schiste provenant du mélange de Mugi, aux conditions de la déformation, afin de caractériser leurs résistances au frottement et des paramètres de lois de type vitesse de glissement et état de l’interface “rate-and-state”. Le schiste est moins résistant au frottement (μ = 0,4) que le basalte altéré (μ = 0,6) et présente un comportement de durcissement en glissement (a-b = ~0,01). Le basalte altéré présente un comportement d’adoucissement en glissement (a-b = ~-0,005), ce qui indique qu’un glissement instable pourrait commencer et se propager le long de bordures basaltiques altérées. Des modèles numériques des contraintes et vitesses de déformation autour de blocs basaltiques encastrés dans une matrice de schiste démontrent que le seuil de contraintes requis pour la rupture en frottement dans les basaltes altérés est atteint avant l’atteinte de ce seuil dans le schiste quand la vitesse de glissement augmente. Les résultats expérimentaux sont utilisés pour calculer les longueurs de nucléation critiques pour le glissement dynamique dans des blocs basaltiques aux bordures altérées. Aux conditions requises pour produire des SBF et des STBF, des blocs basaltiques de l’ordre de mètres ou de dizaines de mètres sont nécessaires pour produire une rupture dynamique. Il est postulé que des blocs s’approchant de ce seuil produisent des SBF et des STBF

The world’s largest earthquakes occur within the seismogenic zones of subduction thrusts, which lock between large magnitude earthquakes. At the updip limit of seismogenic zones, a transitional zone occurs if the subduction interface is not locked to the trench. Within this transitional zone a range of slip behaviors including seismic slip events propagating to the trench, slow slip events (SSEs), tremor, low frequency events (LFEs) and very low frequency events (VLFEs) are observed using geodetic and seismological data sets. Slip in transitional zones is believed to load the seismogenic zone, and may precede large magnitude earthquakes. Understanding the mechanics of slip in transitional zones is therefore important for characterizing the earthquake cycle.Exhumed subduction zone fault rocks preserve information about the composition, structure, and behavior of subduction zones. This thesis examines deformation structures from an exhumed, shallow (T = 190°C), subduction mélange (the Mugi Mélange, Japan) to provide insights into the mechanics of deformation in shallow transitional zones. Mapping, microstructural observations, experiments, and models are used to characterize the distribution of slip surfaces, and relate the observed surfaces to geophysical observations. Localized slip in subduction zones is expected to occur in velocity-weakening materials; however, most subducting materials (gabbro, basalt, calcite, and shale) have previously been shown to be velocity-strengthening at the updip limit of seismogenic zones. Field mapping in this study of basaltic blocks and slabs (embedded within a shale matrix) demonstrates that unstable slip occurred along their altered margins, where we document well-developed cataclasites and slip surfaces. We report the first documented occurrence of pseudotachylyte (quenched frictional melt) in a basaltic host, identified through microstructural criteria along the upper altered contact of a basaltic slab. Deformation in altered basalt is shown to have occurred through cataclasis and frictional sliding, while the surrounding shale matrix deformed through distributed pressure solution accommodated processes.Triaxial friction experiments were performed on crushed natural altered basalt and shale samples from the Mugi Mélange, at the in situ conditions of deformation, to characterize their frictional strengths and rate-and-state friction parameters. The shale is frictionally weaker (μ = 0.4) than altered basalt (μ = 0.6). and exhibits velocity-strengthening (a-b = ~0.01) behavior. Altered basalt exhibits velocity weakening behavior (a-b = ~-0.005), indicating that unstable slip may nucleate and propagate along altered basaltic margins. Numerical models of stress and strain-rates around basaltic blocks embedded in a shale matrix demonstrate that the stress threshold required for frictional failure in altered basalt is reached before the shale with increasing slip-rate. Experimental results are used to calculate critical nucleation lengths for dynamic slip in basaltic blocks with altered margins. At the conditions required to produce LFEs and VLFEs, basaltic blocks on the m- to 10’s of m-scale are required to produce dynamic failure. Blocks sitting close to this threshold are hypothesized to produce LFEs and VLFEs.Altered basalt is a ubiquitous lithology in subduction zones, and may provide a source of velocity-weakening material along which earthquakes can preferentially nucleate and propagate. Incorporation of velocity weakening altered basalt into a velocity strengthening matrix may provide a source for LFEs and VLFEs at near lithostatic pore fluid pressure conditions. Incorporation of blocks into the surrounding matrix may occur more readily around subducted seamounts and ridges

Rowe, Christen Danielle (Supervisor)