Premiere partie. Le volcanisme de la plaque Pacique

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1 Premiere partie Le volcanisme de la plaque Pacique

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3 Chapitre 2 La theorie des points chauds Notre realite se situe dans un univers de mots, non de choses. D'ailleurs, une chose, cela n'existe pas, c'est un gestalt au sein de l'esprit. La \chosite"... le sens de la substance. Une illusion. Le mot est plus reel que l'objet qu'il designe. Philip K. Dick Sommaire 2.1 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

4 40 La theorie des points chauds Preambule Il est important pour la suite de bien preciser ce que l'on entend par point chaud. En eet, ce mot est a la fois le nom du site actif d'un typedevolcanisme intraplaque qui produit des cha^nes volcaniques lineaires, (ainsi on parle du point chaud d'hawai'i), et le nom attribue au processus de mise en place de ce volcanime (on parle alors de volcanisme de type point chaud). Dans ce chapitre, nous allons donc nous attacher a rappeler la denition de depart des points chauds, celle dont nous nous servirons par la suite, et les mecanismes qui ont ete proposes pour expliquer leur fonctionnement, ces mecanismes etant en grande partie lies a la source des points chauds. 2.1 Avant l'apparition du concept La notion de migration du volcanisme intraplaque est plus ancienne que celle des points chauds associee a la theorie de la tectonique des plaques. Ainsi, les legendes hawaiiennes rapportent le fait que la tres colerique deesse Pele, brouillee avec sa sur a la suite d'une terrible querelle, est partie vers le sud-est, et dans sa fureur, a construit successivement Diamond Head sur l'^le d'oahu, Haleakala sur l'^le de Maui et enn le Kilauea a Hawai'i, qui est son actuelle demeure. Au XIXeme siecle, les explorateurs occidentaux pensaient, bien avant l'obtention des premieres datations, que l'^age des ^les du Pacique allait decroissant vers le sud-est. Ils se fondaient, comme les maoris hawaiiens, sur l'observation de l'evolution de l'activite volcanique d'une part et sur l'analyse de la morphologie des ^les passant du stade d'^le haute a celui d'atoll. En 1831, Charles Darwin embarque sur le Beagle, pour une croisiere qui dure 5 ans. Elle l'amene dans le Pacique et il constate que les atolls du Pacique entourent les sommets de vieux volcans qui se sont progressivement enfonces sous l'ocean (Darwin, 1842). Quelques annees plus tard, James Dana, lors d'une expedition de 6 ans a bord du Peacok, etudie en detail les ^les volcaniques du Pacique. Il complete la theorie de la subsidence de Darwin en supposant que le corail se developpe des la n des episodes volcaniques de telle sorte qu'il compense l'enfoncement progressif de l'^le (Dana, 1849). Le long de la cha^ne d'hawai'i, il remarque de plus une evolution graduelle, du sudest au nord-ouest, de la taille de la barriere corallienne et l'attribue a une dierence de taux de subsidence entre les deux extremites de la cha^ne. Il reconna^t une progression systematique des ^ages des ^les a partir de leur degre d'erosion. Sa principale erreur est de considerer que la construction de l'ensemble des edices a demarre simultanement, et que seule la n du volcanisme s'est deplacee progressivement vers le sud-est. Il propose que ce volcanisme soit lie a des failles en echelon paralleles a la direction de la cha^ne. Ces

5 2.2 La notion de point chaud 41 failles seraient plus larges au niveau de l'^le d'hawai'i que vers le nord-ouest. Dans l'etat des connaissances de l'epoque, et avec l'hypothese d'une Terre ne pouvant pas se deplacer lateralement, il etait dicle de conclure autrement. 2.2 La notion de point chaud Il a fallu attendre l'emergence de la theorie de la tectonique des plaques pour que se cree le concept de point chaud. Ces deux theories sont en fait intimement liees et apparaissent simultanement dans l'article fondateur de Wilson (1963). Il propose que : \Even at the surface of the Pacic, the direction of subcrustal movement is indicated by the strike of several parallel chains of volcanic islands, such as the Hawaiians, which may be thought to have risen like bubbles in a stream from the slower moving deep interior." Progressivement plus vieux,, Courant rapide (2-3 cm /an) Courant lent (1 cm/an) Fig. 2.1 { D'apres Wilson (1963) : les cha^nes d'^les volcaniques type les ^les hawaiiennes doivent ^etre issues d'un mecanisme legerement dierent de celui qui forme les dorsales. La source pourrait ^etre profonde (100 milles ou plus), dans la partie la plus lente des courants convectifs. Le deplacement relatif entra^ne les vieux volcans loin de leur source, tandis que de nouveaux volcans se forment sur la source. La longueur de la cha^ne volcanique depend de la duree d'activite de la source. Ainsi, il decrit un nouveau type de volcanisme, dont la source se situe dans le manteau, et est plus profonde que les zones de convection mantelliques proches de la surface. Ces \bulles" (bubbles), qui prennent rapidement le nom de panache, creent les cha^nes volcaniques lineaires intraplaques telles celle d'hawai'i. Cela permet a Morgan (1971) de denombrer 20 panaches mantelliques chauds au dessus desquels se deplacent les plaques. Sur la plaque Pacique, Morgan suggere que les alignements Hawai'i-Empereur, Tuamotu- Ligne, et Australes-Gilbert-Marshall soient dus au deplacement de la plaque rigide au dessus de 3 points chauds xes. Les points chauds sont donc des marqueurs privilegies des mouvements de plaques. Leur origine profonde, vraisemblablement decouplee des mouvements de la plaque, leur permet de generer des alignements volcaniques qui reproduisent en surface les mouvements absolus de la plaque. Les p^oles absolus de rotation obtenus

6 42 La theorie des points chauds dans un repere lie aux points chauds xes sont en bon accord avec ceux denis par le paleomagnetisme (Francheteau et al., 1970). Le modele simple de point chaud peut alors ^etre deni de la facon suivante : { la direction absolue du mouvement de la plaque est celle de l'alignement de la cha^ne ; { les courbures d'une cha^ne correspondent aux changements de direction du mouvement absolu de la plaque ; { les points chauds sont pratiquement xes les uns par rapport aux autres ; { il existe une progession lineaire de l'^age dans une cha^ne volcanique ; { le point chaud actif se trouve a l'extremite de la cha^ne ; { les basaltes des ^les provenant d'un point chaud sont des OIB (pour Oceanic Island Basalts). Par la suite, nous considererons que toute manifestation de volcanisme intraplaque regroupant ces criteres sera de type point chaud. Ces criteres sont independants des mecanismes qui expliquent l'existence ou encore l'origine des points chauds, pour lesquelles de nombreuses questions se posent encore. 2.3 Origine des points chauds et apport des modeles Que ce soit Wilson (1963) ou Morgan (1971), il est fait reference a un manteau profond. Des lors, le probleme de la source des points chauds est pose. Les modeles analogiques realises a partir des annees 1970 tentent de repondre a cette question. a b Fig. 2.2 { D'apres Griths et Campbell (1990) : photographies d'un panache dans du sirop de glucose a dierents stades de son ascension. L'ascension est initiee par la dierence de temperature entre les uides. A droite, la t^ete arrive en butee sous la paroi superieure du reservoir et s'etale. L'echelle est identique a droite et a gauche. L'etude des conditions initiales a montre que l'hypothese de depart la plus probable pour initier un panache etait un chauage du uide par le bas (e.g. Parmentier et al., 1975; Yuen et Schubert, 1976). La region d'origine des panaches doit donc se situer au niveau d'une couche limite thermique et dans ces conditions, la couche D" devient l'un des meilleurs candidats. D'un point de vue geochimique, la couche D", au dessus de la frontiere noyau-manteau, est un reservoir dierent de celui des basaltes produits aux dorsales (les MORB, pour Mid-Ocean Ridge Basalts), elle pourrait donc generer les OIB. Enn, une origine profonde expliquerait la continuite temporelle d'un point chaud sur

7 2.3 Origine des points chauds et apport des modeles 43 plusieurs dizaines de millions d'annees, comme sur l'alignement Hawai'i-Empereur. L'apport des modeles se situe aussi au niveau de la geometrie des panaches. Ils predisent notamment la formation d'une t^ete au sommet du panache et une structure geochimique ou la t^ete du panache est davantage contaminee et se refroidit plus que la queue du panache (Griths et Campbell, 1990). L'interpretation de la photographie de la Figure 2.2 a conduit Campbell et Griths (1990) a proposer un diametre d'environ 1000 km pour la t^ete du panache s'il vient de la couche D", et de 300 km s'il vient de la zone de transition a 650 km de profondeur. Dans le premier cas, il s'elargirait a 2000 km en arrivant en butee sur la lithosphere. Le developpement d'une t^ete volumineuse au sommet du panache ascensionnel permet alors d'envisager un lien generique entre les grandes provinces basaltiques (les trapps ou CFB - pour Continental Flood Basalts - en domaine continental, les plateaux oceaniques ou LIP - pour Large Igneous Province - en domaine oceanique) et les alignements volcaniques intraplaques (Richards et al., 1989). Les provinces basaltiques correspondraient a l'arrivee en surface de la t^ete du panache. manteau supérieur manteau inférieur panaches ascendants lithosphère CMB Fig. 2.3 { D'apres Davies (1990) : modele de convection a une couche. Les panaches sont representes en gris sombre, la lithosphere en gris clair. Le cercle en tirete est celui de la zone de transition a 650 km, le cercle inferieur en noir est celui de la frontiere noyau-manteau (CMB : Core-Mantle Boundary). La profondeur de la source des points chauds est un probleme lie a celui de la convection mantellique. Le cas le plus simple est le systeme convectif a une couche comme celui propose par Davies (1990) qui s'appuie justement sur une origine profonde des panaches. Dans un systeme convectif a une couche, la seule couche limite thermique (necessaire a l'initiation d'un panache) est la couche D". L'ensemble est coherent. Cependant, d'une part les points chauds s'ecartent souvent notablement des modeles classiques, comme nous le verrons plus loin, et d'autre part la question de la convection mantellique n'est pas encore resolue. Un modele de convection thermochimique propose par Davaille (1999) considere un systeme a deux couches, plus ou moins stratie : dans le cas ou la couche inferieure est tres ne, on retrouverait des panaches du type de ceux qui proviennent de la couche D" (diametre de l'ordre de 100 km, espacement typique entre point chaud a la surface de l' ordre de 1000 km) ; dans le cas d'un contraste de densite

8 44 La theorie des points chauds intermediaire entre les 2 strates d'epaisseur moyenne, il se cree un d^ome au sommet de la couche inferieure d'ou partent des petits panaches. 2.4 Les ecarts des modeles avec les points chauds observes L'observation des cha^nes volcaniques de type point chaud en domaine oceanique montre un certain nombre de divergences a la fois par rapport a la theorie et par rapport aux experiences. C'est notamment le cas dans le Pacique (Figure 2.4) et en particulier dans le Pacique sud central. 60N 40N 20N 0 Plaque Pacifique Plaque Cocos 20S Plaque Indo-Australienne Polynésie Française Plaque Nazca 40S 60S Plaque Antarctique 150E W 120W 90W 60W Contour de la ZEE Fig. 2.4 { Bathymetrie de la plaque Pacique. Notre zone d'etude sera le plus souvent comprise dans la region du Pacique Sud Central qui comprend la Polynesie francaise. Le contour de la Zone Economique Exclusive (ZEE) de Polynesie francaise est en trait continu, les limites de plaque sont reportees sous forme de segments. Le Pacique sud central comporte de nombreuses cha^nes volcaniques attribuees au

9 2.4 Les ecarts des modeles avec les points chauds observes 45 passage de la plaque au dessus d'un point chaud. Mais la plupart de ces points chauds s'ecarte du modele classique presente ci-dessus. L'arrivee en surface, probablementrecente, du point chaud de la Societe n'a pas produit d'epanchements volumineux de basaltes. La zone ou devrait se situer le point chaud des Marquises ne montre aucun signe d'activite magmatique recente. Et l'alignement des Marquises lui-m^eme n'est pas oriente suivant la direction absolue du deplacement de la plaque Pacique. L'alignement des Australes- Cook presente des anomalies dans la relation distance-^age, entre les edices et le seul point chaud actif de l'alignement, situe au niveau du mont sous-marin Macdonald. Des reconstructions geodynamiques realisees par dierents auteurs suggerent jusqu'a 5 points chauds pour expliquer l'alignement des Australes-Cook (voir x 1.2.4). Enn l'origine du plateau des Tuamotu avec la soixantaine d'atolls qui le compose, et son lien avec le volcanisme intraplaque reste matiere a debat (voir x 1.2.5). Ces ecarts aux modeles seront detailles dans le chapitre 3. Il existe au nord de l'archipel des Tuamotu un alignementvolcanique parallele au sens de deplacement de la plaque Pacique, la ride de Puka Puka. Sandwell et al. (1995) ont obtenu une serie de datations qui montrent une decroissance vers l'est des ^ages des monts sous-marins, mais suivant une vitesse qui n'est pas compatible avec celle du deplacement de la plaque, donc avec l'hypothese d'un point chaud xe. Ils suggerent la possibilite d'un volcanisme lie a des phenomenes d'extension dans la lithosphere. 0 Profondeur du plancher océanique (m) Plaque Demi-espace Age de la lithosphère (Ma) Fig. 2.5 { Subsidence du plancher oceanique dans le Pacique central sud : modeles de plaque et de demi-espace de Parson et Sclater (1977) et profondeurs modales des sondages acoustiques en fonction de l'^age de la lithosphere (Sichoix et al., 1998). Le Pacique sud central est egalement le siege de deux anomalies globales, l'une

10 46 La theorie des points chauds bathymetrique et l'autre isotopique. Il existe une anomalie bathymetrique positive du plancher oceanique (Figure 2.5), le Super-bombement du Pacique central sud (McNutt et Fischer, 1987). Cette anomalie ne s'explique pas par la somme des bombements individuels de chaque point chaud de la zone (McNutt et al., 1996; Sichoix et al., 1998). En regle generale, la profondeur du plancher oceanique peut ^etre expliquee par un modele de plaque creee chaude a la dorsale et se refroidissant par conduction en s'en eloignant (Parsons et Sclater, 1977). La bathymetrie est donc directement liee a la temperature de la plaque ou encore a son ^age. L'existence d'une anomalie bathymetrique met donc en evidence une anomalie thermique de la lithosphere. De plus, la zone du Superswell est associee a une anomalie negative du geode. Donc la surelevation bathymetrique n'est pas compensee par un mecanisme isostatique simple (qui aurait produit une anomalie positive du geode), mais par un mecanisme dynamique de convection dans une zone situee directement sous la plaque (McNutt, 1998). Kodiak-Bowie Cobb-Eichelberg 30N Hawaii 0 30S Caroline,,,, yyyy,,,, yyyy,y,,,, yyyy SOPITA Samoa Rarotonga Rurutu Tahiti DUPAL ANOMALIE Marquesas Pitcairn Macdonald Easter 150E W 120W 90W Fig. 2.6 { D'apres Staudigel et al. (1991) : localisation de l'anomalie isotopique du Pacique sud en grise (South Pacic Isotopic Anomaly, SOPITA) et de l'anomalie DUPAL. A noter que le grand axe de SOPITA est parallele au mouvement absolu de la plaque. Les points chauds sont representes sous forme de disques noirs. Sur le plan geochimique, le Pacique sud central presente aussi un comportement anormal deni comme la South Pacic Isotopic and Thermal Anomaly ou SOPITA (Figure 2.6) qui n'est pas confondue avec le Superswell (Staudigel et al., 1991). Les produits volcaniques sont caracterises par des enrichissements radiogeniques des isotopes, et surtout par une grande dispersion de leurs caracteristiques. Palacz et Saunders (1986) suggerent au moins deux origines pour ces basaltes : dans un cas, ils pourraient deriver de MORB subduits remobilises dans des panaches mantelliques ; dans l'autre, ils pensent que la

11 2.5 Inuence de la lithosphere 47 composante DUPAL (Dupre et Allegre, 1983) incluerait de la lithosphere continentale recyclee. 2.5 Inuence de la lithosphere Au premier ordre, la theorie des points chauds suppose qu'il existe une interaction minimeentre panache et lithosphere. Cependant, une partie des comportements anormaux des points chauds pourrait s'expliquer par la prise en compte d'un r^ole important de cette derniere. Des les annees 1970, l'inuence de la lithosphere est prise en compte. Il est montre (Vogt, 1974; Skilbeck et Whitebread Jr, 1978) que la formation discrete d'^les s'explique par l'epaisseur de la lithosphere : plus elle est jeune, et plus une formation type plateau sera possible, tandis que plus elle est vieille, plus on aura des ^les independantes. Ce r^ole de ltre de la lithosphere est aussi mis en avant pour justier l'absence de volcanisme de certains points chauds hypothetiques sur la plaque Pacique : a partir d'une etude des aspects du geode a dierentes longueurs d'onde, Fleitout et Moriceau (1992) montrent qu'a courte longueur d'onde (<200 km), le geode est caracterise par des lineations paralleles qui correspondraient d'une part aux cha^nes de type point chaud reconnues, et d'autre part a des panaches non encore repertories. Ces panaches proviendraient du manteau et leur duree de vie serait longue, comme le montre l'extension des lineations du geode. D'autre part, les contraintes existant dans la lithosphere peuvent controller l'expression en surface de certains points chauds, comme McNutt et al. (1997) l'ont mis en evidence au sud des Australes ou 3 cha^nes d'^ages dierents coexistent. Au-dela d'un simple r^ole de ltre, la lithosphere est vue par certains auteurs comme la region source ou proche de la source du volcanisme intraplaque. Turcotte (1974) montre que les contraintes thermiques dues au refroidissement de la lithosphere, perpendiculaires a la direction d'expansion du plancher susent a la ssurer et l'angle de rupture plastique est alors de 35 degres : c'est en accord avec un certain nombre de direction de cha^nes dans le Pacique comme Hawai'i ou la Societe. Shaw et Jackson (1973) proposent que les mouvements des plaques induisent des contraintes dans l'asthenosphere et que la dissipation de chaleur et la fusion partielle qui en decoulent produisent une dierenciation gravitaire : les residus lourds coulent dans le manteau et y ancrent l'anomalie. La creation de residus lourds est cependant peu probable d'un point de vue petrologique. Enn Anderson (1995) propose un modele ou la lithosphere continentale s'etale sous les oceans (Figure 2.7) et forme ce qu'il appelle la perisphere. La perisphere serait la couche de la lithosphere comprise entre la lithosphere rigide, qui est limitee par l'isotherme C (McNutt, 1984), et le manteau convectant, dont la limite superieure est l'isotherme 1350 C. La perisphere correspondrait a la couche limite thermique qui se cree au sommet du systeme convectif constitue par le manteau. Elle serait en permanence enrichie a partir des plaques plongeantes et autres instabilites arrachees par delimination de la lithosphere

12 48 La theorie des points chauds,,, yyy zz,, yy zz {{,,, yyy zz {{{ a DM CFB HOT EM DM CL WET CL* b COLD CL DRY DM EM HOT WET DM CFB EM Fig. 2.7 { d'apres Anderson (1995) : (a) Vision conventionnelle du manteau appauvri (depleted mantle : DM) et de la lithosphere continentale (CL). La CL est supposee ^etre enrichie (EM), et source des CFB. (b) Modele de la perisphere. Le manteau enrichi (EM) est une couche a faible viscosite (perisphere) qui se trouve sous les continents et sous les oceans. La lithosphere rigide s'etend seulement jusqu'a l'isotherme (Anderson, 1996). Anderson fait alors l'hypothese que la perisphere puisse se desolidariser du mouvement de la plaque, ce qui expliquerait l'apparente xite spatiale des points chauds. La perisphere serait ainsi la source des OIB.