These de doctorat de l'universite de la Polynesie francaise. Specialite : Geophysique interne. Presentee par. Docteur d'universite

Transcription

1 These de doctorat de l'universite de la Polynesie francaise Specialite : Geophysique interne Presentee par Valerie Clouard pour l'obtention du titre de Docteur d'universite Etude geodynamique et structurale du volcanisme de la Polynesie francaise de 84 Ma a l'actuel These soutenue publiquement le 18 avril 2000 devant un jury compose de: Alain Bonneville Michel Diament Pierre Yves Gillot Claude Jaupart Marc Munschy Jason Phipps Morgan Directeur de these Rapporteur Examinateur President Examinateur Rapporteur These preparee au Laboratoire de Geosciences Marines et Teledetection, UPF, BP 6570, Faaa, Tahiti, Polynesie francaise.

2 2 Remerciements Les plus forts de mes remerciements vont vers Alain Bonneville qui, non seulement fut mon directeur de these pendant ces quelques annees, mais est qui est aussi la personne qui m'a donne l'opportunite de faire ce doctorat : arrivee en Polynesie francaise a la suite d'une somme de concidences improbables, et ayant de maniere curieuse ses coordonnees telephoniques, je me suis retrouvee immergee dans l'univers de la recherche, ce qui est pour le moins inattendu lorsqu'on arrive a Tahiti. Je tiens egalement a le remercier pour son encadrement, ou plutôt que d'imposer une direction de recherche gee, il m'a laisse aborder les themes que je voulais, et s'est attache a me sortir des chausse-trapes ou je m'enferrais parfois (pour le lecteur curieux, j'ai quelques dizaines de pages sur la magnetisation des monts sous-marins, interpretee suivant toutes les methodes possibles, et sans aucun resultat...). Ces remerciements ne sont pas classes suivant une hierarchie quelconque, aussi je vais tout de suite remercier tous les collegues tahitiens que je retrouvais le vendredi soir autour d'une caisse de biere. Je pense que leur humour et leurs attentions m'ont permis de calmer bien des crises d'enervement ou de rage, et d'atteindre la n de la these sans stress. Faire une these a Tahiti a de nombreux avantages inattendus. Par ailleurs, cette these s'integre au programme ZEPOLYF, qui associe l'etat francais et le Territoire de la Polynesie francaise. Et je tiens a remercier tout particulierement les delegues a la recherche de ces deux entites, Raymond Bagnis et Bella Perez, qui se sont enormement impliques dans la realisation de ce programme. Je sais qu'ils ont toujours ete attentifs, entre autres, a ce que cette these soit nancee en temps et en heure. Du strict point de vue travail, je souhaite remercier tous mes petits camarades de jeu du labo. Au premier chef, Keitapu Maamaatuaiahutapu, qui m'a grandement assiste lors du springt nal dans la preparation de l'oral et avant, dans tous les problemes de reexion lies a la physique, Hilary Todd, pour son aide lors des transcriptions en anglais, Sebastien Deroussi, pour son assistance dans l'amelioration de la base de donnees des âges des monts sous-marins du Pacique, et puis tous les autres, Lydie, Serge, Claudia, Vincent, Karl, Olivier et Nicolas. A propos des campagnes a la mer, je voudrais remercier les equipages et les commandants (MM. Gourmelon, Tredunit, Guillemet, Proner) des bateaux oceanographiques L'Atalante et l'alis qui accueillent les scientiques a chaque mission et leur donnent l'illusion d'être des marins, au moins le temps de la campagne. Le fonctionnement d'un centre de recherches aux antipodes est aussi tres dependant des collegues de metropole, et je tiens a remercier en particulier, Hans Barsczus pour les donnees gravimetriques qu'il nous a transmises et ses connaissances du contexte regional, Pierre-Yves Gillot pour toutes les discussions que j'ai pu avoir avec lui lors de nos expeditions dans les vallees de Tahiti, Michel Voisset et Raymond Le Suave pour leur accueil a l'ifremer Brest an de m'initier aux techniques de traitement de l'imagerie acoustique, Stephane Labrosse pour ses conseils es L A TEXet autres remarques pertinentes

3 3 sur l'interieur de la Terre, et Laurence Audin pour sa contribution au plan tectonique. Ce travail a egalement dependu de l'approvisionnement bibliographique, et je voudrais remercier d'une part Dominique Reymond qui m'a ouvert en permanence les portes de la bibliotheque du LDG a Pamatai, et d'autre part les diverses bibliothecaires que j'ai sollicitees (celles de l'upf et de l'ipgp sont parties a la retraite en cours de route, la tâche a vraiment dû être rude) : Jeanine, Chantale et Beatrice. Et merci a tous ceux qui nous envoient leur these ou des tires-a-part. Dans le même ordre d'idee, un merci a tous les gens qui developpent des outils informatiques et les mettent gratuitement a disposition, et en particulier je pensais a GMT 1 (Wessel et Smith, 1995), L A TEX et les manuels de Ramport (1994) et Moguilny (1997), Will Sager et ses programmes de seminorme ou encore SU 2 (Stockwell, Jr et Cohen, 1998). Toujours sur le continent, je remercie tous les membres du jury, Michel Diament, Claude Jaupart, Pierre-Yves Gillot, Jason Phipps Morgan et Marc Munschy, qui ont accepte de juger ce travail, ont pris sur leur emploi du temps surcharge et qui, pour certains, ont fait le voyage de loin pour la journee. J'ai essaye de prendre en compte au mieux leurs remarques dans la version nale du manuscrit, et qu'ils sachent que je reechis encore a certaines de leurs questions dont je ne trouve toujours pas la reponse...! De maniere plus generale, ce travail reete mon experience passee. Et pour cela, j'envoie un grand merci a mes parents (l'education, bien sûr, mais pas seulement) : ils n'ont jamais impose de bornes a mes projets, y compris de m'installer a km de chez eux en laissant tomber mon travail d'ingenieur et m'ont toujours fait conance. Et j'en prote pour rajouter un petit mot de remerciements pour Jean-Jacques Marsat, mon ancien directeur, qui m'a appris d'une part l'organisation du travail et d'autre part a ne pas stresser inutilement. Enn, je dedie cette these a Gilles, et je le remercie pour tout (et même le reste), ce qui va d'avoir accepte de reporter la ballade en bateau de quelques annees a être devenu l'un de mes interlocuteurs favoris pour lui exposer la multitude d'idees foireuses ou geniales que j'ai pu avoir tout au long de ce travail. 1 Generic Mapping Tool 2 Seismic Unix

4 4

5 Table des matieres 1 Introduction Plan de l'etude Contexte geologique La plaque Pacique Le Pacique central sud La Societe Les Australes Les Tuamotu Les Marquises Les Gambier I Le volcanisme de la plaque Pacique 37 2 La theorie des points chauds Avant l'apparition du concept La notion de point chaud Origine des points chauds et apport des modeles Les ecarts des modeles avec les points chauds observes Inuence de la lithosphere... 47

6 6 TABLE DES MATIERES 3 Les points chauds du Pacique Introduction Objectifs Resume francais de \How many Pacic hotspots are fed by a mantle plume? " How many Pacic hotspots are fed by a mantle plume? Abstract Introduction Data and method Hotspot tracks Conclusion Complements P^oles de rotation absolus de la plaque pacique Rajeunissement duvolcanisme Les hypotheses concernant le volcanisme polynesien II Structure des ^les de Polynesie Francaise 73 4 Les chambres magmatiques fossiles des ^les Resume etendu de \ Size and depth... gravity studies" Size and depth of frozen magma chambers under atolls and islands of French Polynesia using detailed gravity studies, Clouard, Bonneville and Barsczus, 2000, J. Geophys. Res., v 105, pp Complements Contr^ole des donnees gravimetriques terrestres utilisees Determination des masses volumiques La loi de Gauss appliquee aux champs de gravite... 99

7 TABLE DES MATIERES Choix de la loi liant chambre et ^le Le glissement du anc sud de Tahiti Introduction Contexte geologique Exploitation des donnees Imagerie acoustique Bathymetrie Prols sismiques Interpretation Type de glissement Determination de la zone de depart Determination du volume glisse initial Age du glissement Conclusion III Le volcanisme sous-marin ancien La cha^ne des monts Tarava Introduction Analyse morphostructurale Types de morphologies rencontrees Caracteristiques morphologiques Valeurs et distribution des pentes Caracteristiques de l'ancienne cha^ne emergee Repartition des zones de rift

8 8 TABLE DES MATIERES 6.3 Cartographie des epaisseurs sedimentaires Traitement des donnees de sismique reexion Zones sedimentaires Origine des Tarava Contraintes d'^age Lien Tarava -pointchaud Subsidence des Tarava Introduction Subsidence du plancher oceanique depuis 5 Ma Inuence des bombements de la Societe et des Australes Inuence de la exure provoquee par la Societe et les Australes Conclusion Les rides Va'a Tau Piti Introduction Localisation et contexte Morphologie Age des rides Va'a Tau Piti Caracteristiques elastiques de la lithosphere Apport des donnees magnetiques Discussion Conclusion IV Conclusion generale et bibliographie 189 Conclusion generale 191

9 TABLE DES MATIERES 9 Bibliographie 195 V Annexes 215 A Iles et monts sous-marins dates sur la plaque Pacique 217 B Le programme Zepolyf et la campagne ZEPOLYF1 225 B.1 Le programme Zepolyf : Exploration de la ZEE de Polynesie francaise B.2 La zone d'etude avant la campagne ZEPOLYF B.3 Moyens d'acquisition et format des donnees B.4 Les monts cartographies lors de la campagne ZEPOLYF C Prols sismiques traites 251 D Biostratigraphie du fragment de corail DR1 261

10 10 TABLE DES MATIERES

11 Table des gures 1.1 Plan schematique de l'etude Carte tectonique du Pacique D'apres Mayes et al. (1990) : Le sud de la plaque Pacique a 84Ma D'apres Mammerickx (1988) : Le nord de la plaque Pacique a 84Ma Alignements volcaniques de la plaque Pacique Le Pacique central sud Anomalies bathymetriques de Darwin et du Super-bombement Iles et bathymetrie de la Societe Iles et bathymetrie des Australes Iles et bathymetrie des Tuamotu Iles et bathymetrie des Marquises Iles et bathymetrie des Gambier D'apres Wilson (1963) : modele de creation des cha^nes d'^les volcaniques D'apres Griths et Campbell (1990) : photographies d'un panache ascendant dans du sirop de glucose D'apres Davies (1990) : modele de convection a une couche La Polynesie francaise dans le Pacique Subsidence dans le Pacique central sud : modeles et observations D'apres Staudigel et al. (1991) : localisation de l'anomalie SOPITA... 46

12 12 TABLE DES FIGURES 2.7 D'apres Anderson (1995) : modele de la perisphere Localisation et âge des monts sous-marins et ^les du Pacique Determination des pôles de rotation absolus de la plaque Pacique entre 7 et0ma Traces des points chauds sur la carte bathymetrique du Pacique Traces des points chauds dans la zone du Superswell Segments des cha^nes utilises pour la determination du pôle 0-7 Ma D'apres Clague et al.(1989) : rajeunissement du volcanisme hawaiien Distance du sommet de l'arche des Australes au centre de la cha^ne Relation âge-distance des ^les des Australes-Cook avec les points chauds D'apres McNutt et al. (1997) : schema du volcanisme des Australes Determination de la masse volumique de l'edice Eet des variations des densites dans le calcul gravimetrique Choix de la courbe liant volume de la chambre et de l'^le D'apres Walker (1988) : schema des dierents type de glissements Carte de la zone active du point chaud de la Societe Tahiti : topographie et datations du volcanisme aerien Imagerie acoustique du anc sud de Tahiti Bathymetrie 3D du anc sud de Tahiti Imagerie acoustique drapee sur la bathymetrie 3D du anc sud de Tahiti Prols radiaux de la bathymetrie du anc du sud de Tahiti Bathymetries vraie et theorique du anc du sud de Tahiti Carte des epaisseurs des depôts du glissement Prol sismique 179 et interpretation

13 TABLE DES FIGURES Prol sismique 181 et interpretation Prol sismique 183 et interpretation Extrait du prol 181 du sondeur de sediments Schema interpretatif du glissement Prols topographiques reels et schematiques de la zone de depart Contexte regional de la cha^ne des monts Tarava Vue en perspective delacha^ne des Tarava Bathymetrie detaillee de la cha^ne des Tarava Carte de localisation et de numerotation des monts Bathymetrie typique d'un edice qui n'a pas connu l'emersion Prol bathymetrique a travers un edice a symetrie radiale Bathymetrie typique d'un edice qui a connu l'emersion Prol bathymetrique a travers un guyot Bathymetrie typique de 3 edices formant une ride Histogramme des pentes sur Zep Mesure des pentes sur Zep Orientations geographiques du volcanisme des Tarava Orientations des zones de rift des guyots des Tarava Longueur des directions principales des monts en fonction de leur orientation Longueur des rides en fonction de leur orientation Synthese des orientations structurales des Tarava Extrait de la grille mondiale des epaisseurs sedimentaires Prols sismiques le long de la navigation de ZEPOLYF Prol sismique PR

14 14 TABLE DES FIGURES 6.20 Prol sismique PR Carte des epaisseurs sedimentaires de la region des Tarava Trace des points chauds de Pitcairn et Fondation Trace des points chauds hypothetiques des Tarava Trace possible du point chaud des Tarava D'apres McNutt et Menard (1978) : modele de changement apparent du niveau marin provoque le chargement d'un nouvel edice Courbes de subsidence de la lithosphere Age du plancher oceanique dans la region des Tarava D'apres McNutt (1998) : Epaisseur elastique en fonction de l'^age de la lithosphere Bombement regional des Australes Flexure produite par les cha^nes de la Societe et des Australes Sismicite dans la zone des Tarava Coupe verticale de la exure entre Tahiti et Meetia Changement de direction du point chaud des Tarava a 43 Ma D'apres Sandwell et al. (1995) : modeles de convection a petite echelle et d'extension D'apres Macdonald et al. (1988) : modele de segmentation magmatique aux dorsales Position des rides Va'a Tau Piti par rapport a Tahiti Bathymetrie ne des rides Va'a Tau Piti Anomalies gravimetriques des rides Va'a Tau Piti Anomalie gravimetrique residuelle des rides Va'a Tau Piti Anomalies magnetiques autour des rides Va'a Tau Piti Association des rides est-ouest avec les segments rapides de l'ancienne dorsale183

15 TABLE DES FIGURES Les rides Va'a Tau Piti entre les ZF des Marquises et des Australes Reconstruction tectonique du Pacique Sud au Chron Reconstruction tectonique du Pacique Sud au Chron Repartition des episodes volcaniques dans la zone d'etude B.1 Carte bathymetrique de Zep B.2 Carte bathymetrique de Zep B.3 Carte bathymetrique de Zep B.4 Carte bathymetrique de Zep B.5 Carte bathymetrique de Zep B.6 Carte bathymetrique de Zep B.7 Carte bathymetrique de Zep B.8 Carte bathymetrique de Zep B.9 Carte bathymetrique de Zep B.10 Carte bathymetrique de Zep B.11 Carte bathymetrique de Zep B.12 Carte bathymetrique de Zep B.13 Carte bathymetrique de Zep13 et Zep B.14 Carte bathymetrique de Zep B.15 Carte bathymetrique de Zep B.16 Carte bathymetrique de Zep B.17 Carte bathymetrique de Zep B.18 Carte bathymetrique de Zep B.19 Carte bathymetrique de Zep B.20 Carte bathymetrique de Zep

16 16 TABLE DES FIGURES B.21 Carte bathymetrique de Zep B.22 Carte bathymetrique de Zep C.1 Prols sismiques PR12, PR15-1, 15-2 et PR C.2 Prols sismiques PR24, PR25, PR28, PR30, PR31 et PR C.3 Prols sismiques PR40-1, 40-2 et 40-3, PR42 et PR C.4 Prols sismiques PR54, PR55 et PR C.5 Prols sismiques PR67, PR114, PR115 et PR C.6 Prols sismiques PR159, PR161-1 et C.7 Prols sismiques PR164, PR169 et PR C.8 Prols sismiques PR179, PR181 et PR

17 Liste des tableaux 3.1 Pacic plate hotspot Pacic motion stage poles Pôles de rotation absolus de la plaque Pacique pour la periode actuelle Segments des cha^nes utilises dans le calcul du pôle 0-7 Ma Distance des ^les des Australes-Cook aux points chauds Volumes des chambres magmatiques obtenus par dierentes methodes Volume des depôts du glissement en mer Vitesses sismiques dans les depôts du glissement Caracteristiques morphologiques des monts Tarava Caracteristiques des anciennes ^les de la cha^ne des Tarava Caracteristiques des depots sedimentaires autour des Tarava Longueur et duree des phases d'activite du point chaud des Tarava Courbes empiriques de subsidence dans le Pacique Caracteristiques des bombements regionaux de la Societe et des Australes D'apres Sichoix (1997) : epaisseur elastique pour la Societe et les Australes Subsidence des sommets des monts Tarava Caracteristiques morphologiques des rides Va'a Tau Piti

18 18 LISTE DES TABLEAUX 7.2 Parametres utilises dans les calculs gravimetriques Vitesses d'accretion dans la province des rides Va'a Tau Piti B.1 Les monts Tarava...228