Le volcanisme intraplaque dans le Pacifique central : apport de la gravimétrie spatiale

résumé :
L’origine du volcanisme intraplaque est encore mal connue et reste
largement discutée. Les questions portent notamment sur l’origine, soit
purement thermique, soit thermochimique, des processus responsables, ainsi
que sur leur profondeur d’origine. De plus, la lithosphère, bien souvent
déterminante dans l’expression du volcanisme en surface, rend parfois
difficile l’interprétation directe des observables de surface en terme
d’activité mantellique. Dans cette thèse, nous étudions dans un premier
temps, la structure profonde du manteau sous le Pacifique central, région
marquée par la présence de nombreuses chaînes volcaniques. Pour cela, nous
utilisons principalement les récentes données d’une qualité sans précédent
issues de la mission gravimétrique GRACE et les modèles de dômes
thermochimiques oscillants issus des expériences en laboratoire. Une
analyse multi-échelle du géoïde, permettant de séparer efficacement les
différentes composantes, souligne deux anomalies à grandes échelles : la
première, bien connue, est négative et recouvre la Polynésie française, la
seconde est positive et située à 600 kilomètres à l’est des îles de la
Ligne. Nous l’appliquons également au géoïde calculé à partir des modèles
de dômes thermochimiques oscillants. La comparaison, échelle par échelle,
entre les géoïdes observés et synthétiques révèle que ces instabilités
thermochimiques expliquent très bien les anomalies observées et
constituent de bons candidats pour l’origine du volcanisme en présence,
actuel (Polynésie française) et passé (les îles de la Ligne, Shatsky Rise
et Darwin Rise). Nous apportons également des contraintes sur la densité
et la limite supérieure des dômes. Dans un second temps, nous nous
intéressons à l’interaction entre un panache mantellique et la lithosphère
océanique, en nous attachant essentiellement à l’exemple du point chaud
d’Hawaii. Une nouvelle méthode de calcul d’admittance et de cohérence en
ondelettes, nous permettant d’accéder aux variations spatio-fréquentielles
du rapport géoïde sur topographie sur le bombement hawaiien a été
développée. Les résultats obtenus, qui rejoignent les récentes
observations sismiques, témoignent d’un amincissement progressif de la
lithosphère en s’éloignant du point chaud. Ces observations combinées à
des études de convection indiquent que le bombement hawaiien serait en
grande partie supporté dynamiquement par un panache mantellique.
Toutefois, la partie centrale du bombement, réchauffée par le matériel du
panache, serait le siège d’une convection secondaire à plus petite
échelle, capable d’éroder significativement la lithosphère.

abstract :
The origin of intraplate volcanism is a controversial topic. We especially
question on the purely thermal or thermochemical origin of the involved
geodynamical processes and on their origin depth. Moreover, the
lithosphere may influence the volcanism and make tough the interpretation
of surface observations in term of the mantle activity. In this thesis, we
study, in a first part, the deep mantle structure under the Central
Pacific, area marked by numerous volcanic structures. To that aim, we
mainly use new high-quality satellite gravity data from the GRACE mission
and the thermochemical oscillating dome models resulting from laboratory
experiments. A multi-scale analysis, which allows us to unfold the
different components of the geoid signal, underline two large-scale
anomalies : the first, well-known, is negative and recovers the French
Polynesia, the second, is positive and located 600 km east of the Line
Islands chain. We also apply it on calculated geoid from the
thermochemical oscillating dome models. The comparison, scale by scale,
between the observed and synthetic geoid evidence that these
thermochemical instabilities are consistent with the geoid anomalies and
constitute a good candidate to explain the volcanism occurring in the
Pacific, now (French Polynesia) and in the past (Line Islands, Shatsky
Rise and Darwin Rise). We also bring constraints on the density and the
upper bound of the domes. In a second part, we study the interaction
between a mantle plume and the oceanic lithosphere, and focus on the
example of Hawaii. We develop a new method to compute wavelet admittance
and wavelet coherence, which allows us to access the space-frequency
variations of the geoid-to-topography ratio on the hawaiian swell. Our
results, which are consistent with a recent seismic study, evidence a
gradual lithospheric thinning moving along the island chain to the
northwest. These observations, together with basic fluid-mechanical
principles, suggest a hybrid model for the origin of the Hawaiian swell :
the swell as a whole is supported dynamically, but small-scale secondary
convection currents within the hottest central part of the swell cause the
lithosphere to thin.