Étude sur l’origine des chaînes de montagnes sous-marines près de la dorsale dans le Pacifique Sud

Contexte académique

Les chaînes de montagnes sous-marines (seamount chains) dans les océans ont longtemps été considérées comme le produit de l’activité des panaches mantelliques (mantle plumes), comme la célèbre chaîne de montagnes sous-marines Hawaii-Emperor. Cependant, la plupart des montagnes sous-marines du Pacifique ne présentent pas de progression d’âge et sont de petite taille, ce qui suggère qu’elles ne sont pas formées par des panaches mantelliques. Des études récentes ont montré que seulement environ 18 % du volcanisme intraplaque du Pacifique est lié aux panaches mantelliques. Par conséquent, les scientifiques ont commencé à explorer d’autres mécanismes possibles pour expliquer la formation de ces chaînes de montagnes sous-marines non liées aux panaches.

La chaîne de montagnes sous-marines Pukapuka (Pukapuka Ridge, PPR) dans le Pacifique Sud est un exemple typique de chaîne de montagnes sous-marines près de la dorsale, dont le mécanisme de formation n’est pas encore entièrement compris. Cette chaîne est située dans la région du South Pacific Superswell (SPS), s’étendant sur environ 3000 km, du nord du plateau de Tuamotu jusqu’à la dorsale Est-Pacifique (East Pacific Rise, EPR). L’âge des activités volcaniques de la chaîne Pukapuka varie d’environ 27,5 millions d’années à 5,6 millions d’années, sans progression linéaire de l’âge, ce qui indique qu’elle n’est pas formée par un panache mantellique fixe. Par conséquent, étudier l’origine de la chaîne Pukapuka est crucial pour comprendre les mécanismes de formation des chaînes de montagnes sous-marines non liées aux panaches.

Source de l’article

Cet article a été co-écrit par Pengyuan Guo, Fangyu Shen, Dongyong Li et d’autres scientifiques de l’Institut d’océanologie de l’Académie chinoise des sciences, du Laboratoire national pilote des sciences et technologies marines de Qingdao, de l’Université océanique de Chine et d’autres institutions. L’article a été publié en ligne le 3 octobre 2024 dans la revue Geology, sous le titre Ridgeward flow of compositionally heterogeneous mantle produces near-ridge seamount chains in the South Pacific. Cette recherche a été financée par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et le Département des sciences et technologies de la province du Shandong.

Processus et résultats de la recherche

Processus de recherche

1. Collecte et analyse des échantillons
   L’équipe de recherche a effectué une analyse géochimique détaillée des échantillons de basalte provenant de la chaîne Pukapuka et de la dorsale Est-Pacifique (EPR) entre 13°S et 23°S. Les échantillons comprenaient 9 basaltes de la chaîne Pukapuka et 29 basaltes de la dorsale (MORB). En outre, 7 échantillons de basalte provenant de la faille transformante de Garrett (GTF) ont également été analysés.

2. Analyse géochimique
   L’équipe a analysé les éléments majeurs, les éléments traces, les isotopes radiogéniques Sr-Nd-Pb-Hf et les isotopes stables du Fe. L’analyse des isotopes du Fe est un point fort de cette étude, car le Fe est un élément majeur des minéraux du manteau (comme l’olivine, le clinopyroxène et l’orthopyroxène), et sa fractionnement isotopique est limité pendant la fusion principale, ce qui permet de refléter les contributions de différentes lithologies mantelliques.

3. Traitement des données et construction du modèle
   En comparant les données géochimiques des basaltes de la chaîne Pukapuka et de l’EPR, l’équipe a construit un modèle de flux mantellique pour expliquer le mécanisme de formation de la chaîne Pukapuka. Ce modèle suppose la présence de matériaux hétérogènes dans le manteau, qui sont entraînés vers la dorsale par la succion de la dorsale (ridge suction) et subissent une fusion par décompression pendant leur écoulement, formant ainsi la chaîne de montagnes sous-marines.

Principaux résultats

1. Variations géochimiques de la chaîne Pukapuka
   L’étude a révélé que les échantillons de basalte de la chaîne Pukapuka présentent des variations géochimiques significatives, avec une diminution progressive des composants enrichis en allant de l’axe de la dorsale Est-Pacifique vers l’ouest. Cette variation spatiale est interprétée comme le résultat de la fusion par décompression de matériaux hétérogènes dans le manteau lors de leur écoulement vers la dorsale.

2. Variations des isotopes du Fe
   Les échantillons de basalte de la chaîne Pukapuka présentent des valeurs de δ56Fe plus élevées (+0,14‰ à +0,26‰), tandis que les échantillons de MORB de l’EPR et de basalte de la GTF ont des valeurs de δ56Fe plus faibles (+0,05‰ à +0,16‰). Cette variation des isotopes du Fe soutient davantage l’existence de matériaux hétérogènes dans le manteau, qui sont progressivement consommés pendant leur écoulement.

3. Modèle de flux mantellique
   L’équipe a proposé un modèle de flux mantellique pour expliquer le mécanisme de formation de la chaîne Pukapuka. Ce modèle suggère que le manteau contient des matériaux enrichis à faible point de fusion (comme la pyroxénite d’origine métasomatique) et une matrice de péridotite réfractaire. Loin de la dorsale, les matériaux enrichis fondent préférentiellement sous une lithosphère plus épaisse, formant des magmas enrichis. Lorsque les matériaux mantelliques s’écoulent vers la dorsale, les résidus réfractaires fondent davantage sous une lithosphère plus mince, formant des magmas progressivement appauvris. Ce processus explique les variations géochimiques des basaltes de la chaîne Pukapuka.

Conclusions et implications

1. Valeur scientifique
   Cette étude est la première à révéler, grâce à une analyse géochimique détaillée, le mécanisme de formation de la chaîne Pukapuka et à proposer un modèle de flux mantellique expliquant l’origine des chaînes de montagnes sous-marines non liées aux panaches. Cette découverte approfondit notre compréhension des mécanismes de formation des chaînes de montagnes sous-marines près des dorsales et offre de nouvelles perspectives pour expliquer la distribution étendue des chaînes de montagnes sous-marines non liées aux panaches dans le Pacifique.

2. Valeur appliquée
   Les résultats de cette recherche sont importants pour comprendre la dynamique du manteau, la tectonique des plaques et les activités volcaniques près des dorsales. De plus, cette étude fournit de nouveaux indicateurs géochimiques pour les futures explorations géologiques marines, en particulier l’application des isotopes du Fe, qui offre un nouvel outil pour identifier les différentes lithologies du manteau.

Points forts de la recherche

1. Nouvelle méthode d’analyse géochimique
   Cette étude est la première à appliquer l’analyse des isotopes du Fe à l’étude des chaînes de montagnes sous-marines près des dorsales, révélant le potentiel des isotopes du Fe pour identifier les lithologies du manteau.

2. Modèle innovant de flux mantellique
   Le modèle de flux mantellique proposé par l’équipe explique non seulement le mécanisme de formation de la chaîne Pukapuka, mais fournit également un nouveau cadre théorique pour expliquer l’origine d’autres chaînes de montagnes sous-marines non liées aux panaches.

3. Découverte scientifique importante
   Cette étude révèle le processus d’écoulement et de fusion des matériaux hétérogènes dans le manteau sous l’effet de la succion de la dorsale, offrant une nouvelle perspective pour comprendre les activités volcaniques près des dorsales.

Conclusion

Cette étude, grâce à une analyse géochimique détaillée et à un modèle innovant de flux mantellique, révèle le mécanisme de formation de la chaîne de montagnes sous-marines Pukapuka dans le Pacifique Sud, offrant de nouvelles perspectives pour comprendre l’origine des chaînes de montagnes sous-marines non liées aux panaches. Cette recherche a non seulement une valeur scientifique importante, mais fournit également de nouveaux indicateurs géochimiques pour les futures explorations géologiques marines.