Gravity-driven sliding and associated deformations along complex submarine slopes: a laboratory modeling approach based on constraints observed offshore Martinique Island (Lesser Antilles)

Abstract

Submarine gravity-driven sliding of sediments are common processes in the vicinity of volcanic islands. In the Lesser Antilles arc, the Montagne Pelée volcano on Martinique Island underwent several flank-collapse events during its long-term eruptive history, resulting in debris avalanches. When the debris avalanches entered into the seawater, they were emplaced over the unstable slope of the volcano, triggering a seafloor sediment failure and massive landslides downslope. Using a laboratory modeling approach, we simulated the gravity-driven sliding of a sand layer lying above a silicone layer. The experiments were performed using various slope geometries (slope lengths and number of slope breaks separating the slopes with different angles), under both dry and aqueous conditions, and while varying the amount of additional sand inputs upslope. The resulting deformations were characterized in each experiment in order to compare the obtained structures with those shown by the seismic lines offshore to the west of Martinique Island. During all the experiments, a compressional frontal deformation zone made of several reverse faults formed downslope, often near the slope breaks. Downslope, a portion of the sediments was mostly displaced and poorly deformed in a damping zone, while an extensional deformation zone formed upslope. The displacements of the surficial markers were measured through time to characterize the sliding dynamics. Our study demonstrates that the slope geometry and additional sand inputs primarily favor and increase the sliding deformation, whereas the hydrostatic pressure plays a secondary catalytic role over time. These results provide new constraints on the driving factors and their consequences on gravity-driven sliding in terms of deformations and runout distance over time. This may have a significant impact on the associated hazard assessment related to offshore infrastructures, in a region known for its seismic and volcanic risks.

Abstract

Les glissements gravitaires sous-marins d’origine sédimentaire sont fréquents aux abords des îles volcaniques. Dans les Petites Antilles, le volcan de la Montagne Pelée en Martinique a subi plusieurs épisodes d’effondrements des flancs au cours de son histoire éruptive, donnant lieu à des avalanches de débris. Lorsque ces avalanches de débris entrent en mer, elles se déposent sur la pente sous-marine instable du volcan, déclenchant une déstabilisation des sédiments en mer et d’importants glissements qui se propagent sur les fonds marins. A partir d’expériences en laboratoire, nous avons modélisé le processus de glissement gravitaire d’une couche de sable sur une couche de silicone. Les expériences ont été réalisées en utilisant différentes géométries de pente (longueurs, angles et nombre de rupture de pente), à sec et sous l’eau, puis en variant les quantités de sable ajoutées en haut de pente. Les déformations observées ont été caractérisées à chaque expérience afin de comparer les structures obtenues avec celles identifiées sur les lignes sismiques au large de la côte ouest de la Martinique. Durant toutes les expériences, un front de déformation compressif constitué des plusieurs failles inverses se formait en bas de pente, le plus souvent près des ruptures de pentes. Le bas de pente est généralement caractérisé par un déplacement simple des sédiments, très peu déformés, constituant une zone d’accommodation de la déformation, alors qu’une zone en extension se forme systématiquement en haut de pente. Le déplacement des marqueurs à la surface des modèles a été mesuré au cours du temps afin de caractériser la dynamique de glissement. Nos travaux montrent que la géométrie de pente et les apports de sable favorisent le glissement et augmente la déformation, alors que la pression hydrostatique semble jouer un rôle secondaire de catalyseur au cours du temps. Ces résultats apportent de nouvelles contraintes sur les facteurs moteurs et leurs conséquences sur les glissements gravitaires en termes de déformations et de distance de propagation au cours du temps. Ces observations ont des implications importantes pour l’évaluation des risques associés aux infrastructures sous-marines, notamment dans une région soumise aux aléas sismiques et volcaniques.