L'alignement volcanique de Pitcairn-Gambier : étude pétrologique et géochimique de la partie sud-est du panache polynésien

par Helene Delavault

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre, de l'Univers et de l'Environnement

Soutenue le 03-10-2014

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (Grenoble) (laboratoire) .

Le jury était composé de Anne-Marie Boullier, Tim Elliott, Delphine Bosch.

Les rapporteurs étaient Laurie Reisberg, Pierre Schiano.


  • Résumé

    Le volcanisme de point chaud est l'une des activités les plus intrigantes de la Terre. L'origine de ce type de volcanisme est encore débattue mais il est largement admis que les panaches sont formés de matériel chaud qui peut potentiellement entrainer avec lui des matériaux recyclés. La plupart des études se concentrent sur les panaches puissants montrant une forte production magmatique comme Hawaï ou la Réunion, mais les panaches montrant une plus faible production magmatique comme la Polynésie (Pacifique sud), peuvent apporter des informations complémentaires.Ce travail consiste en une étude pétrologique et géochimique de la chaine de Pitcairn-Gambier, située au sud-est du panache Polynésien. Ce travail s'organise autour de mesures en éléments majeurs et en trace, de compositions isotopiques en Pb, Sr, Nd et Hf sur une centaine d'échantillons, et autour d'analyses ponctuelles sur olivines et sulfures contenus dans certains échantillons.Les compositions isotopiques et élémentaires montrent une évolution systématique avec le temps (de Mururoa, île la plus vieille, aux monts sous-marins de Pitcairn les plus jeunes), depuis des compositions isotopiques « HIMU jeunes » avec une forte anomalie positive en Nb (1.8) jusqu'à des compositions isotopique EMI typiques avec une faible anomalie négative en Nb (0.8). Les différents modèles développés dans cette thèse ont permis de dater, contraindre la lithologie et la proportion des composants recyclés dans la source de ces îles. Les îles de Mururoa, Fangataufa et Gambier possèdent dans leur source de la croûte basaltique recyclée de 1.5 Ga ainsi que des sédiments âgés de 1-1.5 Ga (<0.36%). L'étude ciblée de l'île de Gambier met en évidence une source plutôt froide (~1450°C) comparée aux autres panaches comme Hawaï (1550°C). La source de l'île de Pitcairn et de ses monts sous-marins se révèle extrêmement différente car elle contient non seulement de la croûte basaltique recyclée (1.5 Ga) mais également jusqu'à ~18% de cherts archéens (~2.5 Ga). La présence inattendue de cherts archéens dans la source des îles de Pitcairn qui ont les valeurs EM1 les plus prononcées des OIB, remet en cause les autres théories développées pour tenter de contraindre ce composant.Les anomalies positives en Nb indiquent la présence dans la source de croûte basaltique recyclée. La diminution de cette anomalie au cours du temps le long de la chaîne est expliquée par l'augmentation progressive du taux de sédiments dans la source du panache, les sédiments possédant une anomalie négative en Nb.Les hétérogénéités isotopiques et élémentaires mises en évidence dans cette étude sont expliquées par fusion, sous chaque île, de matériel de composition et d'âge différents. Un modèle possible pour expliquer la structure de l'ensemble du panache polynésien, consiste en de «petits panaches» générés à partir d'un super-panache. Ces petits panaches produisent alors de petits alignements, et échantillonnent de manière imprévisible les différents matériels présents dans le super-panache. L'ensemble des données et modèles proposés dans cette thèse offre un nouvel angle pour apprécier la variabilité géochimique du panache Polynésien et à plus grande échelle de nouvelles perspectives pour comprendre les processus de recyclage au sein du manteau terrestre.

  • Titre traduit

    Pitcairn-Gambier alignment : coupled petrological and geochemical constraints of SE part of polynesian hot spot


  • Résumé

    Plume volcanism is one of the most puzzling features of present-day activities of the Earth. The origin of this type of volcanism remains a matter of debate, but it is generally agreed that its source is hot material containing some potentially recycled material. Most studies have focused on ‘strong' plumes with high magmatic production, e.g. Hawaii or Réunion, but weaker plumes such as Polynesia (South Pacific) may provide useful complementary information.This work presents a petrological and geochemical study of the Pitcairn-Gambier chain, situated at the South East of the Polynesian plume. I report major and trace element concentrations and Pb, Sr, Nd and Hf isotopic measurements of ~100 samples as well as probe analyses on olivine and sulphides in a few selected samples.Both isotopes and trace elements show a strong correlation with the age of the volcanoes (from the oldest island of Mururoa to the younger Pitcairn Seamounts), from « Young HIMU » isotopic compositions associated with high positive Nb anomalies (1.8), to typical EMI compositions with a slight negative anomaly (0.8). Geochemical modeling enables to constrain the age, the nature and the proportion of the recycled components in the source. Mururoa, Fangataufa and Gambier show in their source, the presence of 1.5 Gy recycled oceanic crust, along with 1-1.5 Gy sediments (<0.36%). The source of Gambier Island basalts is ‘cold' (~1450°C) compared to that of other plumes like Hawaii (1550°C). In contrast, the Pitcairn Island and Seamounts source is different as it contains 1.5 Gy recycled basaltic oceanic crust, as well as up to ~18% Archean (~2.5 Ga) cherts. The unexpected discovery of Archean cherts in the source of Pitcairn islands (which have the most extreme EMI compositions) is at odd with previous models on the origin of the EMI component.Positive Nb anomalies indicate the presence of recycled oceanic crust in the source, and this anomaly decreases with time along the chain. This feature can be explained by the increasing contribution of the sediment input in the source of the plume, since sediments display a negative Nb anomaly.The isotopic heterogeneities evidenced in this study are best explained by melting, beneath the islands, of different materials with various ages and compositions. The general structure of the Polynesian plume can be explained by the presence of small plumes generated from a superplume. These small plumes create small alignments, and they randomly sample various materials present in the plume. Overall the data and models in this study give new insights into the geochemical variations observed across the Polynesian plume, and at a larger scale they provide new perspectives to better understand crustal recycling processes and the evolution of the mantle through time.


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