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.