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 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 plut^ot 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 ^ages 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'^etre 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 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 t^ache a vraiment d^u ^etre rude) : Jeanine, Chantale et Beatrice. Et merci a tous ceux qui nous envoient leur these ou des tires-a-part. Dans le m^eme 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 s^ur, mais pas seulement) : ils n'ont jamais impose de bornes a mes projets, y compris de m'installer a 18 000 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 m^eme le reste), ce qui va d'avoir accepte de reporter la ballade en bateau de quelques annees a ^etre 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
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Table des matieres 1 Introduction 19 1.1 Plan de l'etude... 20 1.2 Contexte geologique............................... 22 1.2.1 La plaque Pacique........................... 22 1.2.2 Le Pacique central sud... 26 1.2.3 La Societe... 28 1.2.4 Les Australes... 30 1.2.5 Les Tuamotu... 31 1.2.6 Les Marquises.............................. 32 1.2.7 Les Gambier............................... 34 I Le volcanisme de la plaque Pacique 37 2 La theorie des points chauds 39 2.1 Avant l'apparition du concept......................... 40 2.2 La notion de point chaud............................ 41 2.3 Origine des points chauds et apport des modeles............... 42 2.4 Les ecarts des modeles avec les points chauds observes... 44 2.5 Inuence de la lithosphere... 47
6 TABLE DES MATIERES 3 Les points chauds du Pacique 49 3.1 Introduction................................... 50 3.1.1 Objectifs................................. 50 3.1.2 Resume francais de \How many Pacic hotspots are fed by a mantle plume? "... 50 3.2 How many Pacic hotspots are fed by a mantle plume?........... 52 3.2.1 Abstract................................. 52 3.2.2 Introduction............................... 52 3.2.3 Data and method... 53 3.2.4 Hotspot tracks... 58 3.2.5 Conclusion................................ 62 3.3 Complements... 64 3.3.1 P^oles de rotation absolus de la plaque pacique... 64 3.3.2 Rajeunissement duvolcanisme..................... 67 3.3.3 Les hypotheses concernant le volcanisme polynesien......... 69 II Structure des ^les de Polynesie Francaise 73 4 Les chambres magmatiques fossiles des ^les 75 4.1 Resume etendu de \ Size and depth... gravity studies"... 76 4.2 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 8173-8191............ 78 4.3 Complements... 97 4.3.1 Contr^ole des donnees gravimetriques terrestres utilisees....... 97 4.3.2 Determination des masses volumiques................. 98 4.3.3 La loi de Gauss appliquee aux champs de gravite... 99
TABLE DES MATIERES 7 4.3.4 Choix de la loi liant chambre et ^le...101 5 Le glissement du anc sud de Tahiti 103 5.1 Introduction................................... 104 5.2 Contexte geologique............................... 106 5.3 Exploitation des donnees...108 5.3.1 Imagerie acoustique........................... 108 5.3.2 Bathymetrie............................... 110 5.3.3 Prols sismiques...115 5.4 Interpretation.................................. 118 5.4.1 Type de glissement...118 5.4.2 Determination de la zone de depart.................. 119 5.4.3 Determination du volume glisse initial...120 5.4.4 Age du glissement...122 5.5 Conclusion.................................... 123 III Le volcanisme sous-marin ancien 125 6 La cha^ne des monts Tarava 127 6.1 Introduction................................... 128 6.2 Analyse morphostructurale........................... 129 6.2.1 Types de morphologies rencontrees...129 6.2.2 Caracteristiques morphologiques.................... 133 6.2.3 Valeurs et distribution des pentes...135 6.2.4 Caracteristiques de l'ancienne cha^ne emergee...137 6.2.5 Repartition des zones de rift...................... 138
8 TABLE DES MATIERES 6.3 Cartographie des epaisseurs sedimentaires...142 6.3.1 Traitement des donnees de sismique reexion............. 143 6.3.2 Zones sedimentaires........................... 143 6.4 Origine des Tarava...148 6.4.1 Contraintes d'^age...148 6.4.2 Lien Tarava -pointchaud...149 6.5 Subsidence des Tarava...153 6.5.1 Introduction............................... 153 6.5.2 Subsidence du plancher oceanique depuis 5 Ma............ 155 6.5.3 Inuence des bombements de la Societe et des Australes...159 6.5.4 Inuence de la exure provoquee par la Societe et les Australes.. 162 6.6 Conclusion.................................... 168 7 Les rides Va'a Tau Piti 171 7.1 Introduction................................... 172 7.2 Localisation et contexte...173 7.3 Morphologie................................... 174 7.4 Age des rides Va'a Tau Piti...175 7.4.1 Caracteristiques elastiques de la lithosphere...177 7.4.2 Apport des donnees magnetiques...180 7.5 Discussion.................................... 183 7.6 Conclusion.................................... 186 IV Conclusion generale et bibliographie 189 Conclusion generale 191
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... 225 B.2 La zone d'etude avant la campagne ZEPOLYF1...226 B.3 Moyens d'acquisition et format des donnees...227 B.4 Les monts cartographies lors de la campagne ZEPOLYF1...227 C Prols sismiques traites 251 D Biostratigraphie du fragment de corail DR1 261
10 TABLE DES MATIERES
Table des gures 1.1 Plan schematique de l'etude... 21 1.2 Carte tectonique du Pacique... 23 1.3 D'apres Mayes et al. (1990) : Le sud de la plaque Pacique a 84Ma.... 24 1.4 D'apres Mammerickx (1988) : Le nord de la plaque Pacique a 84Ma... 24 1.5 Alignements volcaniques de la plaque Pacique................ 25 1.6 Le Pacique central sud... 27 1.7 Anomalies bathymetriques de Darwin et du Super-bombement... 28 1.8 Iles et bathymetrie de la Societe... 29 1.9 Iles et bathymetrie des Australes... 30 1.10 Iles et bathymetrie des Tuamotu........................ 32 1.11 Iles et bathymetrie des Marquises....................... 33 1.12 Iles et bathymetrie des Gambier... 34 2.1 D'apres Wilson (1963) : modele de creation des cha^nes d'^les volcaniques. 41 2.2 D'apres Griths et Campbell (1990) : photographies d'un panache ascendant dans du sirop de glucose... 42 2.3 D'apres Davies (1990) : modele de convection a une couche... 43 2.4 La Polynesie francaise dans le Pacique.................... 44 2.5 Subsidence dans le Pacique central sud : modeles et observations... 45 2.6 D'apres Staudigel et al. (1991) : localisation de l'anomalie SOPITA... 46
12 TABLE DES FIGURES 2.7 D'apres Anderson (1995) : modele de la perisphere... 48 3.1 Localisation et ^age des monts sous-marins et ^les du Pacique... 54 3.2 Determination des p^oles de rotation absolus de la plaque Pacique entre 7 et0ma... 57 3.3 Traces des points chauds sur la carte bathymetrique du Pacique... 60 3.4 Traces des points chauds dans la zone du Superswell... 62 3.5 Segments des cha^nes utilises pour la determination du p^ole 0-7 Ma... 66 3.6 D'apres Clague et al.(1989) : rajeunissement du volcanisme hawaiien.... 67 3.7 Distance du sommet de l'arche des Australes au centre de la cha^ne... 68 3.8 Relation ^age-distance des ^les des Australes-Cook avec les points chauds.. 69 3.9 D'apres McNutt et al. (1997) : schema du volcanisme des Australes... 71 4.1 Determination de la masse volumique de l'edice............... 98 4.2 Eet des variations des densites dans le calcul gravimetrique........ 99 4.3 Choix de la courbe liant volume de la chambre et de l'^le...101 5.1 D'apres Walker (1988) : schema des dierents type de glissements... 104 5.2 Carte de la zone active du point chaud de la Societe...106 5.3 Tahiti : topographie et datations du volcanisme aerien............ 107 5.4 Imagerie acoustique du anc sud de Tahiti.................. 109 5.5 Bathymetrie 3D du anc sud de Tahiti...110 5.6 Imagerie acoustique drapee sur la bathymetrie 3D du anc sud de Tahiti. 111 5.7 Prols radiaux de la bathymetrie du anc du sud de Tahiti......... 112 5.8 Bathymetries vraie et theorique du anc du sud de Tahiti.......... 113 5.9 Carte des epaisseurs des dep^ots du glissement...114 5.10 Prol sismique 179 et interpretation...................... 115
TABLE DES FIGURES 13 5.11 Prol sismique 181 et interpretation...................... 116 5.12 Prol sismique 183 et interpretation...................... 116 5.13 Extrait du prol 181 du sondeur de sediments...118 5.14 Schema interpretatif du glissement...119 5.15 Prols topographiques reels et schematiques de la zone de depart...120 6.1 Contexte regional de la cha^ne des monts Tarava...128 6.2 Vue en perspective delacha^ne des Tarava...130 6.3 Bathymetrie detaillee de la cha^ne des Tarava...131 6.4 Carte de localisation et de numerotation des monts...132 6.5 Bathymetrie typique d'un edice qui n'a pas connu l'emersion........ 132 6.6 Prol bathymetrique a travers un edice a symetrie radiale....132 6.7 Bathymetrie typique d'un edice qui a connu l'emersion....133 6.8 Prol bathymetrique a travers un guyot...133 6.9 Bathymetrie typique de 3 edices formant une ride...134 6.10 Histogramme des pentes sur Zep5....................... 136 6.11 Mesure des pentes sur Zep5...137 6.12 Orientations geographiques du volcanisme des Tarava...139 6.13 Orientations des zones de rift des guyots des Tarava...140 6.14 Longueur des directions principales des monts en fonction de leur orientation140 6.15 Longueur des rides en fonction de leur orientation............... 140 6.16 Synthese des orientations structurales des Tarava...141 6.17 Extrait de la grille mondiale des epaisseurs sedimentaires.......... 142 6.18 Prols sismiques le long de la navigation de ZEPOLYF1...144 6.19 Prol sismique PR15...145
14 TABLE DES FIGURES 6.20 Prol sismique PR115...147 6.21 Carte des epaisseurs sedimentaires de la region des Tarava...148 6.22 Trace des points chauds de Pitcairn et Fondation...149 6.23 Trace des points chauds hypothetiques des Tarava...151 6.24 Trace possible du point chaud des Tarava...152 6.25 D'apres McNutt et Menard (1978) : modele de changement apparent du niveau marin provoque le chargement d'un nouvel edice...154 6.26 Courbes de subsidence de la lithosphere...156 6.27 Age du plancher oceanique dans la region des Tarava...157 6.28 D'apres McNutt (1998) : Epaisseur elastique en fonction de l'^age de la lithosphere...158 6.29 Bombement regional des Australes...161 6.30 Flexure produite par les cha^nes de la Societe et des Australes...164 6.31 Sismicite dans la zone des Tarava...166 6.32 Coupe verticale de la exure entre Tahiti et Meetia...167 6.33 Changement de direction du point chaud des Tarava a 43 Ma...168 7.1 D'apres Sandwell et al. (1995) : modeles de convection a petite echelle et d'extension...172 7.2 D'apres Macdonald et al. (1988) : modele de segmentation magmatique aux dorsales...174 7.3 Position des rides Va'a Tau Piti par rapport a Tahiti...175 7.4 Bathymetrie ne des rides Va'a Tau Piti...176 7.5 Anomalies gravimetriques des rides Va'a Tau Piti...178 7.6 Anomalie gravimetrique residuelle des rides Va'a Tau Piti.......... 180 7.7 Anomalies magnetiques autour des rides Va'a Tau Piti...181 7.8 Association des rides est-ouest avec les segments rapides de l'ancienne dorsale183
TABLE DES FIGURES 15 7.9 Les rides Va'a Tau Piti entre les ZF des Marquises et des Australes...184 7.10 Reconstruction tectonique du Pacique Sud au Chron 34...185 7.11 Reconstruction tectonique du Pacique Sud au Chron 25...186 7.12 Repartition des episodes volcaniques dans la zone d'etude.......... 193 B.1 Carte bathymetrique de Zep1...229 B.2 Carte bathymetrique de Zep2...230 B.3 Carte bathymetrique de Zep3...231 B.4 Carte bathymetrique de Zep4...232 B.5 Carte bathymetrique de Zep5...233 B.6 Carte bathymetrique de Zep6...234 B.7 Carte bathymetrique de Zep7...235 B.8 Carte bathymetrique de Zep8...236 B.9 Carte bathymetrique de Zep9...237 B.10 Carte bathymetrique de Zep10......................... 238 B.11 Carte bathymetrique de Zep11......................... 239 B.12 Carte bathymetrique de Zep12......................... 240 B.13 Carte bathymetrique de Zep13 et Zep14...241 B.14 Carte bathymetrique de Zep15......................... 242 B.15 Carte bathymetrique de Zep16......................... 243 B.16 Carte bathymetrique de Zep17......................... 244 B.17 Carte bathymetrique de Zep18......................... 245 B.18 Carte bathymetrique de Zep19......................... 246 B.19 Carte bathymetrique de Zep20......................... 247 B.20 Carte bathymetrique de Zep21......................... 248
16 TABLE DES FIGURES B.21 Carte bathymetrique de Zep22......................... 249 B.22 Carte bathymetrique de Zep23......................... 250 C.1 Prols sismiques PR12, PR15-1, 15-2 et PR16... 252 C.2 Prols sismiques PR24, PR25, PR28, PR30, PR31 et PR33......... 253 C.3 Prols sismiques PR40-1, 40-2 et 40-3, PR42 et PR43............ 254 C.4 Prols sismiques PR54, PR55 et PR66... 255 C.5 Prols sismiques PR67, PR114, PR115 et PR139... 256 C.6 Prols sismiques PR159, PR161-1 et 161-2... 257 C.7 Prols sismiques PR164, PR169 et PR176... 258 C.8 Prols sismiques PR179, PR181 et PR183... 259
Liste des tableaux 3.1 Pacic plate hotspot............................... 55 3.2 Pacic motion stage poles............................ 56 3.3 P^oles de rotation absolus de la plaque Pacique pour la periode actuelle.. 64 3.4 Segments des cha^nes utilises dans le calcul du p^ole 0-7 Ma.......... 67 3.5 Distance des ^les des Australes-Cook aux points chauds............ 68 4.1 Volumes des chambres magmatiques obtenus par dierentes methodes... 101 5.1 Volume des dep^ots du glissement en mer.................... 114 5.2 Vitesses sismiques dans les dep^ots du glissement...117 6.1 Caracteristiques morphologiques des monts Tarava....135 6.2 Caracteristiques des anciennes ^les de la cha^ne des Tarava...138 6.3 Caracteristiques des depots sedimentaires autour des Tarava...146 6.4 Longueur et duree des phases d'activite du point chaud des Tarava....153 6.5 Courbes empiriques de subsidence dans le Pacique.............. 155 6.6 Caracteristiques des bombements regionaux de la Societe et des Australes. 161 6.7 D'apres Sichoix (1997) : epaisseur elastique pour la Societe et les Australes. 163 6.8 Subsidence des sommets des monts Tarava...165 7.1 Caracteristiques morphologiques des rides Va'a Tau Piti....175
18 LISTE DES TABLEAUX 7.2 Parametres utilises dans les calculs gravimetriques....179 7.3 Vitesses d'accretion dans la province des rides Va'a Tau Piti....182 B.1 Les monts Tarava...228