22 octobre 2014

Un mécanisme inattendu serait à l'origine du volcanisme du Newer Volcanic Province

J'avais consacré il y a quelques mois un article sur la zone volcanique de Newer, car de nouveaux édifices y avaient été identifiés. Dans cet article je rappelais que l'hypothèse retenue qui permettait d'expliquer ce volcanisme était une sorte de zone anormalement chaude dans le manteau qui aurait persisté depuis la séparation du supercontinent Gondwana, dont l'Australie est un fragment: une sorte de point chaud mineur persistant. C'est le mécanisme de ce "point chaud" qui est maintenant précisé par Rhodri Davis et son équipe, mais j'y reviendrais plus tard.

Pour avoir une présentation plus complète du Newer Volcanic Field (ou Province au choix)  je vous laisse la possibilité de consulter mon article précédent sur cette zone, mais voici quelques points clé la concernant:
- selon les sources consultées la zone compte entre 400 et 700 édifices
- le volume émis au total, depuis les éruptions les plus anciennes retrouvées il y 4.6 millions d'années, est d'environ 20 000 km3, ce qui est très faible, signe d'une production de magma dans le manteau peu efficace.
- la surface totale occupée par la zone volcanique s'étend sur 15 à 19 000 km²
- c'est la seule zone volcanique considérée comme active (selon les critères du GVP soit au moins une éruption dans les 10 000 dernières années) sur le continent Australien . Le volcan Heard Island, au sud de Kerguelen est bien Australien, mais pas sur le continent.



L'hypothèse testée par le chercheur Rhodri Davies, de l'Australian National University est étonnante mais, pour en comprendre la portée, revoyons d’abords quelques fondamentaux.

Vous vous souvenez de vos cours de lycées et/ou de collège: la Terre est une planète active. Elle possède un stock de chaleur responsable de lents mouvements dans le manteau terrestre. Il faut que je rappelle ici, car c'est essentiel et fondamental, que le manteau terrestre se déplace à l'état solide. Il subit en fait une lente déformation plastique, comme le ferait une pâte à modeler. Il n'existe donc pas d'océan de magma sous la croûte terrestre.
Ces mouvements sont le moteur de la Tectonique des Plaques, théorie maintenant complètement acceptée qui explique:
- comment les fonds océaniques se forment, au niveau des dorsales. Ce sont les zones dites d'accrétion
- comment cette croûte océanique disparait sous d'autres croûtes au niveau des subductions
- comment se forment les chapelets d'îles volcaniques, alignées: sont les zones de points chauds
- l'activité sismique et volcanique, la formation des chaînes de montagne et leur disparition, le mouvement des continents etc, etc.

Le magma sur Terre est en majorité produit au niveau des subductions et des accrétions, le phénomène de Point Chauds (encore largement incompris) apportant un volume de magma non négligeable de son côté.

Un schéma récapitulatif, plus tôt juste à part quelques détails au niveau des subductions, des principales zones de formations de magma: accrétion (frontière divergentes), Subduction (frontière convergentes) et points chauds. Image: wikipédia

Mais pourquoi tous ces rappels? Parce que le volcanisme de Newer n'est associé à aucun de ces trois mécanismes: il n'y a aucune subduction le long de la côte sud de l'Australie, aucune zone d'écartement de plaque active, aucun "vrai point chaud", type Hawaï, Galapagos ou Islande.

Si vous êtes étonnés, c'est qu'on vous a appris et rabâché que tout le volcanisme terrestre était produit par ces trois mécanismes: subduction-accrétion-point chaud.
Pire: jusqu'à une époque très récente, si un volcanisme ne pouvait être expliqué par la subduction ou l'accrétion, alors on avait forcément à faire à une "sorte de point chaud", même si les relevés ne permettaient pas de le mettre en évidence de manière claire et nette. C'est par exemple le cas au Newer volcanic Field: les études géophysiques ont révélé la présence d'anomalies thermiques, regroupées sous le terme vague de "point chaud".... mais rien n'indique qu'il y a un tel phénomène encourts, rien de similaires aux "vrais points chauds" en tout cas.

On va donc, plus simplement, partir du point commun qui relie toutes les zones volcaniques du monde: elles se situent à un endroit où le manteau terrestre est perturbé.
Constat à partir duquel il faut ensuite chercher l'origine de la perturbation, sans forcément se laisser enfermer par l'un des trois mécanismes ci-dessus. Et c'est ce que viennent de faire Rhodri Davies et ses collègues pour le Newer Volcanic Field.

Je m'explique d'abords à propos de cette histoire de "manteau perturbé".


En fait, sur Terre, le manteau normal ne peut pas fondre. Ce n'est pas que la Terre est trop "froide", mais simplement que même si le manteau est chaud, il subit une trop grande pression qui bloque, contrecarre, sa fusion. Ainsi à part le noyau externe, totalement liquide, le reste du globe terrestre est solide.
Il faut donc une perturbation pour provoquer la fusion.
Quels sont les mécanismes perturbateur qui peuvent permettre au manteau de fondre? Il en existe 3, que je vous simplifie ici:

- abaisser la pression. La fusion peut alors commencer sans que la température n'augmente. C'est cette perturbation qui a lieu au niveau des zones d'accrétion (écartement de plaques) où du manteau déjà chaud remonte vers la surface et donc subit une baisse de pression sans apport de chaleur.

- modifier la composition chimique du manteau. C'est un processus bien connu en verrerie ou en métallurgie: on ajoute un composant, appelé "fondant", pour abaisser la température de fusion d'un matériau trop réfractaire. C'est le mécanisme à l’œuvre au niveau des zones de subductions, le fondant pour le manteau étant alors l'eau (pour faire simple même si ce n'est pas exactement de l'eau).

- apporter une chaleur supplémentaire: c'est ce qui se passe au niveau des vrais "points chauds" dont la source est le manteau profond, plus chaud que le manteau superficiel.

Cependant accrétion, subduction et point chauds n'ont pas l'exclusivité des perturbations que sont la baisse de pression, la modification de la composition ou l'apport de chaleur. A d'autres endroits du globe, ces perturbations existent, à une échelle plus locale toutefois...comme dans le sud de l'Australie par exemple.
Quelle est donc l'origine de la perturbation du manteau, à même de produire le peu de magma qui a conduit à la construction du champs volcanique de Newer?

Pour Rodri Davies et ses collègues, tout à commencé après qu'ils aient exploité les résultats d'une vaste campagne d'imagerie sismique du manteau: le projet Wombat. Il s'agit d'un réseau de 650 sismomètres déployés depuis 1998 sur toute la pointe sud-est du continent Australien et sur la Tazmanie qui a permis de produire une image détaillée du manteau supérieur.

Déploiement des sismomètres du projet Wombat. Image: Australian National University
 
L'analyse des enregistrements de ce réseau a permis de constater la présence d'anomalies de vitesse des ondes sismiques. Celles-ci sont généralement interprétées comme des changements de caractéristiques physiques du manteau. En effet, chaque tremblement de Terre produit simultanément trois types d'ondes qui n'ont pas toutes les mêmes capacités à se déplacer. Ainsi les ondes les plus rapides, dites P ("Primaires" car elles arrivent en premier sur les sismomètres), peuvent traverser les solides et les liquides, dans lesquelles elles ralentissent toutefois. Les ondes S ("Secondaires"), un peu plus lentes, ne peuvent absolument pas traverser les liquides. Les ondes de surface.....ne se déplacent qu'à la surface de la Terre et ne servent donc à rien pour comprendre le sous-sol.

Les spécialistes ont donc pu constater:
- que les ondes P et S traversaient le manteau sous l'Australie: celui-ci est donc solide
- mais les ondes Pet S ralentissent à certains endroits: le manteau est donc plus mou qu'un manteau normal. C'est le signe qu'il est un peu plus chaud (tout le monde sais que chauffer un solide le ramollit, on voit ça tous les jours avec le beurre).


Voilà une image en 3D qui en résulte: on constate que les anomalies forment des "poches" de taille limitée et non une seule grande anomalie qui, généralement, signe la présence d'un vrai point chaud. Par ailleurs la profondeur de ces "poches" est plutôt faible: ente 200 et 300 km tout au plus. Leur source n'est pas profonde...exit donc le "vrai point chaud".


Les anomalies de vitesse du manteau sous le sud du continent Australien, interprétés comme des anomalies thermiques. Images: Australian National University


Voilà donc comment les anomalies thermiques ont été localisées. Restait à les expliquer.

Depuis la fin des années 90 un mécanisme, appelé "Edge-driven convection", ou "convection issue du bord" (pour une traduction simpliste) est avancé pour tenter d'expliquer la présence de zones de manteau localement perturbé. Ce mécanisme, relativement simple, ne se produit que dans des situations géologiques particulières: là où les plaques possèdent de brusques variations d'épaisseur.




En gros, en coupe ça donne ça:


Le "mur" qui existe entre les deux zones d'épaisseur différente est une zone instable car la base de la partie épaisse de la plaque est plus froide que la base de la partie fine. C'est un endroit où le manteau a donc tendance à se "rafraichir" un peu et, de fait, à devenir un peu plus dense ce qui l'oblige à "couler" (c'est la flèche verticale située entre les deux cercles). La nature à horreur du vide: le manteau qui descend est compensé par du manteau qui monte...et comme il vient d'un tout petit peu plus profond, il est un tout petit peu plus chaud...donc un peu plus mou...donc il se repère grâce aux ondes sismiques. Le manteau "tiède froid" descend, le manteau "tiède-chaud" remonte pour compenser: on appelle ça une cellule de convection.
Ce type de configuration se trouve en Australie: le continent ayant une longue et complexe histoire géologique (on y trouve les plus anciennes roches terrestres) sa plaque possède de fortes variations d'épaisseur.

Mais, dites voir...on parle bien d'un manteau perturbé, sans accrétion, sans subduction, sans "vrai point chaud"? Et même sans mouvement de plaque car il a été démontré par des modèles informatiques que l'instabilité existait seulement de la brusque différence d'épaisseur.
Oh oh! Voilà une donnée intéressante. Toutefois, il semble que les perturbations engendrées lorsque la plaque est immobile ne soient pas suffisantes pour produire un champ volcanique aussi vaste que celui de Newer. Il manque donc quelque chose.

L'hypothèse testée informatiquement par R.Davies et ses collègues est de voir comment se comporte l'anomalie en prenant en compte le mouvement de la plaque Australienne. En effet, celle-ci se déplace à la vitesse fulgurante de 7 cm par an! Pour un mouvement de continent c'est en effet quelque chose de très rapide, qui a un impact sur le comportement du manteau sous-jacent.

Modélisation informatique de la cellule de convection située sous le Newer Volcanic Field. En rouge: l'épaisseur de la plaque Australienne. Image : R.Davioes et al,  dans la revenue "Geology"


Les géologues Australiens ont donc programmé un modèle dans lequel sont injectés à la fois les formules mathématiques adaptées, les données connues et récoltées par le Wombat, les données récoltées par d'autres travaux concernant les caractéristiques mécaniques du manteau (viscosité, température etc.) et bien sûr les variations d'épaisseur du continent Australien et sa vitesse de déplacement afin de voir quel type de résultat le modèle allait produire. Pour faire tourner un modèle aussi complexe ils ont eu recourt au plus important super-ordinateur Australien, le Raijin.

Et le résultat est tombé: le mouvement de la plaque accentue la perturbation et la fait remonter plus haut. De fait le manteau chaud subit une baisse de pression plus importante...et parvient donc à fondre un peu, fournissant ainsi les magmas qui ont alimenté les éruptions à l'origine du Newer Volcanic Field. Ce mécanisme ne créant qu'une perturbation limitée, le volume de magma produit est lui-aussi modeste, ce qui et le cas pour ce champ volcanique.

Finalement: le volcanisme ici ne serait dû qu'à une variation d'épaisseur de la plaque Australienne couplée à une vitesse de déplacement importante de cette plaque.

Sources:
ANU
R Davies et al: "On the Origin of Recent Intra-plate Volcanism inAustralia", dans la revue "Geology".


21 octobre 2014

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13 octobre 2014

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