Plum-BeatR: Pulsations courte-période du panache de La Réunion et rhéologie du manteau 

Projet financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR), référence ANR- 23-CE49-0009 (projet Plum-BeatR)

Les points chauds terrestres présentent des fluctuations de leur taux d’émission magmatique, sur des périodes de 1 à 20 Ma, indiquant des changements de production de magma au sein des panaches mantelliques sous-jacents. La périodicité de ces fluctuations permet indirectement de déterminer les mécanismes de production du magma, et de mieux comprendre les interactions entre le panache et le manteau adjacent.

Récemment, des fluctuations d’activité magmatiques synchrones ont été identifiées sur deux îles du point chaud Réunion, La Réunion et Maurice, d’une période de ~400 000 ans au cours des trois derniers millions d’années (Fig. 1a). Cette période est un ordre de grandeur plus courte que celles identifiées sur d’autres points chauds terrestres. Étant donnée la distance entre les deux îles (~230 km), cette pulsation courte période du point chaud Réunion ne peut pas provenir de la lithosphère (≤70 km), ce qui conduit à notre hypothèse de travail selon laquelle elle est produite dans l’asthénosphère ou plus profond. La philosophie du projet Plum-BeatR financé par l’ANR est de mieux contraindre cette pulsation du point chaud Réunion, et d’en tirer parti pour mieux comprendre les processus mantelliques à l’origine des panaches mantelliques.

Le projet se décline en trois volets ou work packages (WP). L’enjeu de ces trois volets est de décrire les fluctuations d’activité magmatique du point chaud Réunion à une échelle de temps plus fine que celle des autres points chauds, et d’en explorer les causes à l’aide des toutes dernières générations de modèles géodynamiques.

Figure 1: Objectifs et stratégie du projet Plum-BeatR. a/ Trace du point chaud Réunion dans l’océan Indien. b/ Comparaison des chronostratigraphies de Maurice et de La Réunion montrant des phases synchrones de volcanisme et de quiescence au cours des quatre derniers millions d’années (Famin et al., in prep.). c/Détermination des volumes éruptés depuis l’émersion des îles Mascareignes. d/ Processus géodynamiques explorés pour comprendre les causes de la pulsation du point chaud Réunion. e/ Objectif de comparaison quantitative des observations (chronostratigraphiques, géochimiques et géomorphologiques) et des modélisations numériques (couleurs rouge, verte et bleue pour La Réunion, Maurice et Rodrigues, respectivement).

WP1 : Périodicité de la pulsation du point chaud Réunion

Dans volet du projet, nous allons construire et améliorer la chronostraptigraphie des trois îles de l’archipel des Mascareignes (Rodrigues, Maurice et La Réunion), pour comparer l’évolution temporelle de la construction des trois îles, et donc la rythmicité des périodes d’activité volcanique (Fig. 1a). Ce travail nécessitera des datations de roches par plusieurs méthodes radiométriques (K-Ar ; Ar-Ar, (U-Th)/He sur zircon et apatite), ainsi que des relevés de terrain pour croiser l’information chronologique et géologique. En parallèle, des analyses chimiques et isotopiques (Sr-Nd-Pb) permettront de suivre l’évolution des magmas au cours du temps.

WP2 : Amplitude des pulsations du point chaud Réunion

Ce volet a pour objectif de contraindre les volumes de magmas émis au cours du temps sur les trois îles des Mascareignes, à partir des volumes érodés. Une première méthode d’estimation utilisera des reconstructions de la géométrie anté-érosion des édifices volcaniques. Pour remonter plus loin dans l’histoire des volumes de magmas émis, la deuxième méthode utilisera des lois d’érosion pour estimer les volumes éroder, et donc les taux de construction volcanique.

WP3 : Modélisation numérique des causes de la pulsation du point chaud

Pour comprendre les causes des fluctuations de l’activité magmatique du point chaud réunion et des volumes de magmas émis (WP1 et 2), nous utiliserons deux approches complémentaires : 1/ une modélisation 3D de la convection mantellique depuis la transition noyau-manteau, à l’aide du code StagYY, et 2/ des modèles de propagation des magmas à la transition manteau-lithosphère à l’aide du code TerraFERMA.

Le projet, coordonné par Vincent Famin (équipe des Systèmes Volcaniques, IPGP) et Maëlis Arnould (Université Claude Bernard-Lyon 1), implique 11 chercheurs de sept instituts internationaux différents. Le projet permettra de recruter et de de former deux doctorants.

Figure 2: Exemples de travaux combinant relevés de terrain et géochronologie pour établir la chronostratigraphie des îles volcaniques. a/ Inversion de relief montrant une discontinuité majeure, encadrée par deux âges radiométriques à La Réunion (Famin et al., in prep). b/ Coulée de lave recouvrant un paléosol et des colluvions à Rodrigues, échantillonnée pour réaliser des datations radiométriques. c/ Coulée de lave fraîche comblant une vallée et recouvrant des basaltes altérés, avec échantillonnage pour datations radiométriques, Rodrigues.

Figure 3: Topographie des îles de La Réunion, Maurice et Rodrigues (Gourbet et al., in prep.). L’érosion a isolé des reliques de reliefs anciens sur Maurice. L’île de Rodrigues présente une géométrie symétrique adaptée à la reconstruction des paléo-reliefs. PdN : Piton des Neiges ; PdF : Piton de la Fournaise.

Figure 4: Methodologies utilisées pour reconstruire les volumes de magmas émis anté-érosion. a/ Géométrie théorique d’un édifice volcanique avec une surface conique à pente variable (Gayer et al., 2021). Etoile rouge : centre éruptif. Le même volcan et aussi représenté dans un diagramme distance au centre vs élévation. Les points rouges correspondent à la ligne pointillée en c/. b/ Exemple de reconstruction 3D d’un édifice volcanique, au stade de construction n (Piton des Neiges, Réunion) remplissant un paléo-relief (en gris) correspondant au stade n-1. c/ Exemple d’un bassin hydrographique (en grisé) du Piton des Neiges creusé par l’incision fluviatile (photo F. Larrey, Gourbet et al., in prep.). d/ Vue 2D du même bassin, avec profils de rivière observé et reconstruit, comparés au profil déduit d’une loi d’érosion type « stream power law ». e/ Taux d’érosions moyennés à l’échelle des bassins, en fonction de l’âge des surfaces incisées par l’érosion (Gourbet et al., in prep.).

Figure 5: Stratégie de modélisation numérique géodynamique appliquée à l’études des pulsations d’un panache mantellique. a/ Exemple de séries temporelles d’activité d’un panache suivies dans un modèle 3D sphérique de convection mantellique, avec tectonique de surface et rhéologie simple. La résolution actuelle de ces périodes est pour l’instant de l’ordre de 2 à 10 Ma (tiré de Arnould et al., 2020). Le projet prévoit d’améliorer cette résolution d’un facteur 10. b/ Géométrie 3D-sphérique des modèles développés dans le WP3. La viscosité du modèle est représentée en transparence alors qu’une isotherme chaude représente les panaches mantelliques générés par le modèle. Le panache au premier plan interagi avec une dorsale océanique.

Figure 6: Exemple 2D de modèle d’écoulement biphasique réalisé à partir du logiciel TerraFERMA dans un contexte de dorsale océanique, qui sera appliqué au contexte du point chaud Réunion. a/ Géométrie du modèle, montrant la compaction à gauche et la porosité à droite. Remarquez la présence de « vagues de porosité » à droite (Sim, 2022). b/ Séries temporelles d’épaisseur crustale du modèle, utilisée comme paramètre représentatif des variations de la production de magmas, avec densité spectrale correspondante (Parnell-Turner et al., 2022). c/ Représentation paramétrique montrant la dépendance des vagues de porosité à la perméabilité intrinsèque et à la vitesse d’écartement dans un contexte de dorsale. Le « modified mobility number » permet de comparer la vitesse de migration des fluides magmatiques par rapport à l’advection solide dans le cas d’une ride (Sim, 2022).