Les points chauds et la convection du manteau terrestre

Transcription

1 Les points chauds et la convection du manteau terrestre Sommaire 1. LOCALISATION DE QUELQUES STRUCTURES NON EXPLIQUÉES PAR LA THÉORIE DE LA TECTONIQUE DES PLAQUES 2. FORMULATION DE LA THÉORIE DES POINTS CHAUDS (2 DIAPOS) 3. LES POINTS CHAUDS ET LA CINÉMATIQUE : MOBILES OU FIXES? 4. UN POINT CHAUD EN 3D 5. LES DIFFÉRENTS TYPES DE PANACHE 6. PANACHES ET SUPER-PANACHES (2 DIAPOS) 7. LES DEUX MODES EXTRÊMES DE LA CONVECTION DU MANTEAU 8. LE POINT DE VUE DU GÉOCHIMISTE 9. CE QUE NOUS APPREND LA TOMOGRAPHIE SISMIQUE (5 DIAPOS) Ce sujet se rapporte au chapitre 8 ; consulter également le cahier couleur. Des compléments sur les panaches mantelliques se trouvent dans l ouvrage Introduction à la Géologie, la dynamique de la Terre, Dunod éditions. Découvrez la 15 e édition du «Pomerol» tout en couleurs, Éléments de Géologie (Dunod, 2015, M. Renard, Y. Lagabrielle, E. Martin, M. de Rafélis), à jour des dernières connaissances de la recherche en géosciences. Un livre qui répond aux exigences des étudiants, des candidats aux concours, des enseignants, des chercheurs Et de l amateur éclairé! Merci à Jean-Paul Montagner et à Vincent Courtillot (IPG Paris) qui nous ont fourni certaines figures de cette présentation. << Tous les reportages de terrain de elements-geologie.com Toute l info sur ce livre

2 Introduction Cliché : Y. Lagabrielle Activité volcanique dans le fond du Cratère Dolomieu au sommet du Piton de la Fournaise à La Réunion en octobre En avril 2007, un paroxysme éruptif a vidé le cratère, et à cette place on observait alors un gouffre profond de 340 m..! Depuis cette vidange, le Dolomieu se remplit encore une fois. Le Piton de la Fournaise est le volcan le plus actif de la planète. Ce volcan de Point Chaud à chimisme d OIB* est là pour nous rappeler qu à côté de la tectonique des plaques, certes essentielle pour expliquer la dynamique de la lithosphère, le manteau de notre planète Terre est animé de mouvements convectifs d origine thermique qui obéissent à une mécanique dont les rouages les plus profonds se situent à la limite noyau/manteau et dans laquelle la lithosphère joue un rôle très minime. Dans ce reportage nous apportons quelques éclaircissements sur des questions classiques que posent la convection du manteau et l origine des Points Chauds et nous fixons des éléments pour la transmission de ces notions vers les lycées et collèges. * Ocean Island Basalt

3 1. Localisation de quelques structures non expliquées par la théorie de la Tectonique des Plaques????? (Smith, Sandwell, et coll.) La théorie de la tectonique des plaques explique convenablement un bon nombre des phénomènes qui caractérisent l activité de la lithosphère de la Terre. Les séismes, les grandes structures océaniques, les chaînes de montagne, les principaux volcans, tout est expliqué par la tectonique des plaques. Vraiment tout? Non, la présence de volcans à signature géochimique d OIB* situés au beau milieu des plaques lithosphériques, loin de leurs frontières actives (Hawaï, La Réunion, Yellowstone, ) ou sur certaines frontières divergentes (Islande, les Afars,..) n est absolument pas expliquée par la tectonique des plaques. * voir chapitres 24 et 25

4 2. Formulation de la théorie des points chauds Une autre théorie que la Tectonique des Plaques est nécessaire pour expliquer le volcanisme intraplaque à caractère OIB dont la source n est pas le manteau supérieur mais le manteau inférieur enrichi. Cette même signature se retrouve également dans le volcanisme de régions particulières des dorsales océaniques présentant des taux de production de laves anormaux, comme l Islande. Un panache se dit plume en anglais Cette théorie est celle dite des points chauds. Un point chaud typique est créé à la surface de la Terre lorsqu un panache thermique de manteau profond solide* remonte de la couche D située à la limite noyau-manteau, pour s étaler sous la lithosphère et donner naissance à un chapelet d îles volcaniques. Le manteau profond remonte le long d une pédoncule assez mince (500 km de diamètre à la base, 150 km sous la tête), il s étale sous forme d une large tête et les produits de la fusion partielle du manteau du panache ET du manteau local perforent la lithosphère pour donner un volcanisme hyper-abondant parfois sur un temps très court. On associe maintenant les panaches aux LIPs (Large Igneous Provinces : les Grandes Provinces Ignées) telles que les trapps du Dekkan, le plateau Ontong-Java, les trapps de Sibérie, La figure ci-contre donne la localisation et l âge des LIPs (A); la coupe d un panache (B) et le lien existant parfois entre tectonique extensive et magmatisme de point chaud (C). Bien noter les valeurs des températures. * Attention à une erreur classique qui fait des panaches des venues de magmas. Non, il s agit de manteau solide, la fusion partielle ne commençant pas avant 100 km de profondeur sous le Point Chaud.

5 2. Formulation de la théorie des points chauds (suite) Tuzo Wilson, proposa dès 1963 que les plaques dérivent au dessus de points chauds fixes dans le manteau. Cette première formulation de la Théorie des Points Chauds lui permit d expliquer la structure remarquablement rectiligne de la chaîne de volcans hawaiiens. Celle-ci s explique par le mouvement de la plaque Pacifique vers le nord-ouest au-dessus d un point chaud situé sous la grande île d Hawaii (voir les figures ci-dessus et la diapositive suivante). Jason Morgan, en 1971, proposa que les points chauds soient alimentés par des panaches thermiques de matière chaude montant depuis la frontière noyau-manteau à 2900 km de profondeur.

6 3. Les points chauds et la cinématique : mobiles ou fixes? Les points chauds permettent de tracer le mouvement des plaques (figure à gauche) car dans la théorie initiale, les points chauds les plus importants sont stables par rapport au centre de la Terre. Cette notion nécessite une mise au point. On pense aujourd hui que les points chauds peuvent prendre naissance à divers niveaux dans le manteau, comme cela est représenté sur les diapositives suivantes. On admet que seuls les plus profonds d entre eux, ceux qui correspondent à des panaches issu de la couche D sont stables dans le temps. Ils constituent un référentiel fixe pour décrire les mouvements absolus des plaques (voir le modèle de Gripp et Gordon cidessous). Note : selon notre bon sens, il est surprenant qu un panache avec son mince pédoncule ne soit pas dévié par la convection du manteau terrestre, notamment dans le cas de Hawaï. La queue devrait être défléchie par une convection rapide du manteau supérieur sous la plaque Pacifique. Cette difficulté est évitée par certains qui admettent que les lignes de flux du manteau convectif s écartent puis se resserrent au passage du pédoncule. Cependant, à l aide d arguments chronologiques et paléomagnétiques, des chercheurs emmenés par J. Tarduno, estiment qu il existe bien une dérive propre du point chaud de Hawaii, dans le sens opposé au mouvement de la plaque Pacifique. En fait, ce problème n est pas résolu aujourd hui et aucun modèle numérique n a su représenter à la fois la convection du manteau et la croissance d un panache. Modèle cinématique de Gripp et Gordon. Version «absolue» du modèle NUVEL-1A dans le référenciel des points chauds. Carte du Pacifique montrant les points chauds actifs et les alignements correspondants, avec l âge des édifices volcaniques en Ma.

7 4. Un point chaud en 3D Ce bloc diagramme permet de fixer l essentiel des traits structuraux et sédimentaires liés aux points chauds mis en place en zone tropicale. Bien observer les isothermes dans le manteau supérieur qui dessinent la partie centrale de la tête du panache (diamètre = 1000 km), sous la lithosphère océanique ici épaisse de 80 km. La remontée du panache mantellique se traduit par un échauffement de 300 C environ à la base du point chaud. Ceci entraîne une modification de la rhéologie d ensemble. L enfoncement de la lithosphère sous l effet de la surcharge des produits volcaniques est facilitée par ces températures élevées. La flexure élastique (réversible) de la lithosphère est bien soulignée par le tracé de la base de la croûte océanique (ligne pointillé du moho). Il résulte de l augmentation régionale de la température, un écart entre la profondeur effective du toit de la plaque et la profondeur théorique voulue par le vieillissement de la plaque*. Noter également le stockage de produits de la fusion sous la forme de sous-placage, en base de lithosphère. *voir le chapitre 15 et la courbe âge/profondeur du fond océanique.

8 5. Les différents types de panache Sur cette coupe théorique de la Terre (sur laquelle seule la convection du manteau supérieur a été représentée), on peut situer les principaux types de panache : (1) origine à la couche D, (1 ) origine à la limite entre manteau supérieur et inférieur, (2 + 3) interaction entre un panache et une dorsale. Pour décompter les points chauds profonds, V. Courtillot et coll. ont établi une liste de 5 critères appliquée à 49 points chauds candidats. Ces critères portent sur l existence de trapps à l impact, la présence d une chaîne de volcans, un flux thermique élevé, des rapports isotopiques élevés en 4 He/ 3 He et 21 Ne/ 22 Ne (bons marqueurs du caractère primitif de la source), une zone à moindre vitesse des ondes S à la transition manteau supérieur/manteau inférieur. Les gagnants sont au nombre de 3 dans l hémisphère Pacifique : Hawaï, Ile de Pâques et Louisville et de 4 dans l hémisphère Indo-Atlantique : Afars, Tristan da Cunha, Islande et La Réunion.

9 6. Panaches et super-panaches Fait regrettable, mais incontournable, la résolution de la tomographie actuelle n est pas capable d imager les queues des panaches profonds, dont le diamètre est probablement de l ordre de quelques centaines de kilomètres. En revanche, la tomographie sismique (voir les diapositives suivantes) nous indique que la convection dans le manteau inférieur est dominée par un mode quadripolaire dans lequel deux super-panaches forment deux dômes qui s élèvent sous l Afrique et sous le Pacifique alors que le matériel plus froid redescend au niveau de deux ceintures méridiennes, dont l enveloppe mime les zones de subduction circum-pacifique. C est ce que représente cette coupe de la Terre. Les 3 points chauds profonds du Pacifique et les 4 points chauds profonds Indo-Atlantiques forment deux groupes de panaches qui sont ancrés de façon quasi-fixe à la bordure de ces deux superpanaches. On a montré que ces deux groupes dérivent lentement l un par rapport à l autre. Cependant la vitesse de déplacement des panaches reste faible. Des panaches secondaires plus instables prennent naissance à l endroit ou les super panaches s écrasent au niveau de la limite manteau inférieur/manteau supérieur. D autres se forment à la limite lithosphère/asthénosphère. Coupe de la Terre selon le modèle de Courtillot et coll. (2003) montrant les panaches et les super-panaches. V. Courtillot, A. Davaille, J. Besse and J. Stock, Three distinct types of hotspot in the Earths mantle. Earth and Planetary Science Letters, 205, p

10 6. Panaches et super-panaches (suite) Rappel : selon V. Courtillot et coll. seulement 7 points chauds sont d origine profonde, 3 dans l hémisphère Pacifique : Hawaï, Ile de Pâques et Louisville et 4 dans l hémisphère Indo-Atlantique : Afar, Tristan da Cunha, Islande et La Réunion. Images tomographiques du globe à 500 km (manteau supérieur) et 2850 km de profondeur (base du manteau inférieur montrant également la position des divers points chauds dans l étude menée par V. Courtillot et coll. Les ronds noirs sont les points chauds ne satisfaisant pas aux 5 critères définis plus haut. Les ronds blancs sont ceux qui ont un ancrage profond. La carte en (b) montre parfaitement que les 7 points chauds retenus se situent au pourtour de deux grosses masses chaudes du manteau inférieur : les super-panaches. V. Courtillot, A. Davaille, J. Besse and J. Stock, Three distinct types of hotspot in the Earths mantle. Earth and Planetary Science Letters, 205, p

11 7. Les deux modes extrêmes de la convection du manteau Dans un modèle de convection globale, on doit pouvoir concilier le fait que le manteau supérieur produit des basaltes appauvris très homogènes du point de vue de la géochimie sur toute la Terre, ce qui plaide en faveur d une convection très efficace, et le fait que le manteau inférieur présente des hétérogénéités géochimiques très différentes d un point chaud à l autre, ce qui milite pour une très faible convection de cette enveloppe. On pense aujourd hui que la convection du manteau terrestre peut se faire selon deux modes extrêmes : à une couche ou à deux couches. Ces deux modes ont pu se succéder dans le temps. Ainsi au Crétacé, le mode à une couche était peut être activé. D après Stein et Hoffman les slabs froids ont pu s accumuler sur la couche D provoquant une remontée de super-panaches jusqu à la lithosphère et entraînant un volcanisme intense (mode dit MOMO : Mantle Overturn, Major Orogeny). Ci-dessous, nous représentons le mode théorique à deux couches, dominé par les plaques. Lui-même présente deux configurations possibles selon que les plaques plongeantes traversent ou ne traversent pas la limite entre le manteau inférieur et le manteau supérieur. Les images de tomographie montrent que les plaques Pacifique et Afrique atteignent la couche D *. *voir chapitre 12

12 8. Le point de vue du géochimiste Les failles Partie 3 : failles inverses et chevauchements La géochimie apporte des contraintes majeures pour la modélisation de la convection thermique. Elle permet en effet de reconnaître les filiations des magmas issus du manteau et de détecter les mélanges possibles entre les différents réservoirs mantelliques, dont le manteau primitif. Ici nous reproduisons 3 schémas proposés parmi d autres par F. Albarède. En 1, la convection est à deux couches, les plaques ne passent pas la frontière des 670 km. En 2, la convection est à une couche et le manteau inférieur contient une série de poches isolées de manteau primitif (blobs). En 3, la convection est à une couche et les plaques descendent jusque sur la couche D (type proche du type MOMO) Les flèches noires pleines indiquent que les enveloppes sont liées (convection à une couche)

13 9. Ce que nous apprend la tomographie sismique (1) Nous proposons et commentons dans les diapositives suivantes des images de tomographie globale à différentes profondeur. Elles ont été réalisées en 2005 par Jean-Paul Montagner au laboratoire de sismologie de l Institut de Physique du Globe de Paris, d après des modèles établis par Jeroen Ritsema. La représentation des anomalies de vitesse des ondes S au sein du manteau est une bonne façon de rendre compte des hétérogénéités de température et de cartographier les mouvements de matière liés à la convection. Les vitesses sismiques sont en effet plus faibles (de l ordre de quelques %) lorsque les températures sont plus élevées. Les 6 cartes proposées représentent des coupes à travers le globe intéressant le manteau supérieur (z = 100 à 600 km) et le manteau inférieur (z = 807 à 2853 km). On a figuré les limites de plaques (trait noir) et les principaux points chauds actifs (triangles rouges) sur la planche récapitulative à la fin de cette présentation. Pour z = 100 km, la distribution des anomalies de température est en total accord avec les processus de la tectonique des plaques. Les dorsales se situent au-dessus des zones les plus chaudes du manteau. Les anomalies sont larges pour les dorsales rapides et plus réduites pour les dorsales lentes *. Les vieux cratons (Amériques, Afrique, Australie) présentent un manteau plus froid (lithosphère plus épaisse). * voir chapitre 21

14 9. Ce que nous apprend la tomographie sismique (2) Pour z = 310 km et surtout 600 km, on observe nettement des anomalies plus froides sous l Amérique du Sud et le Pacifique Ouest (Japon, Mariannes, Papouasie). Il s agit des panneaux de lithosphère des plaques Nazca et Pacifique plongeant dans la subduction. Certaines de ces anomalies se suivent sur les coupes à z = 807 et 2011 km, ce qui indique que les plaques correspondantes traversent la discontinuité manteau supérieur - manteau inférieur (vers 670 km)

15 9. Ce que nous apprend la tomographie sismique (3) On peut suivre les panneaux de lithosphère des plaques Nazca et Pacifique plongeant dans la subduction, sous la forme d anomalies froides situées sous l Amérique du sud et sous la Chine de l est et l Indochine. Ceci indique que les plaques correspondantes traversent la discontinuité manteau supérieur - manteau inférieur (vers 670 km)

16 9. Ce que nous apprend la tomographie sismique (4) Les deux coupes les plus profondes (z = 2011 et 2835 km) montrent une disposition des anomalies de température de type bipolaire (répartition dite de degré 2) correspondant à la présence de deux masses chaudes, les deux «super-panaches», l un situé sous l Afrique, l autre sous le Pacifique (que l on a appelé depuis longtemps le «super-swell» du Pacifique). Certains points chauds, notamment ceux de la plaque Afrique semblent assez nettement liés à ces anomalies comme le proposent Courtillot et coll.. On constate également une connexion possible entre le super-panache de l Afrique et la zone du point chaud de l Afar. On remarque que d autres points chauds sont liés à des zones chaudes du manteau dont les racines sont moins profondes (Islande, Açores, océan Indien).

17 9. Ce que nous apprend la tomographie sismique (planche complète) Traits noir : limites des plaques. : Volcans de point chaud.

18 Conclusion Il semble donc qu il existe trois types de panaches, les uns profonds ancrés au niveau de la couche D, les autres plus superficiels, enracinés vers km et d autres enfin, directement sous la lithosphère. Toutefois, les documents de tomographie ne doivent pas être pris comme des représentations définitives de notre globe. Il s agit de modèles dont la résolution n est pas encore suffisante (de l ordre de km à l échelle globale) pour répondre à de nombreuses questions en suspens et il serait imprudent de les faire «trop parler». Malgré tout, même s ils nous confirment que notre planète est complexe dans son fonctionnement global, on retiendra les points suivants : (a) le manteau inférieur semble fonctionner en mode bipolaire avec 2 super-panaches ; (b) plusieurs types de panaches coexistent, enracinés soit en profondeur (couche D ), soit à proximité de la limite manteau inférieur - manteau supérieur, ou encore de la limite lithosphère asthénosphère ; (c) les plaques plongeantes peuvent traverser localement la discontinuité des 670 km pour intégrer le manteau inférieur ; (d) dans le manteau supérieur, c est la tectonique des plaques et donc la dynamique de la lithosphère qui est le reflet direct de la structure thermique.