L’apparition de panaches thermiques est un ph´enom`ene classique pour la convec- tion `a haut nombre de Rayleigh, loin du seuil d’instabilit´e (Nataf, 1991; Siggia, 1994) et dans la limite des hauts nombres de Prandtl (Lemery et al., 2000). Nos r´esultats exp´erimentaux pr´edisent la formation d’instabilit´es convectives en base de lithosph`ere, qui vont se d´evelopper, et rester pi´eg´ees dans l’asth´enosph`ere. Ces exp´eriences ont permis de d´efinir l’´echelle spatiale caract´eristique de cette convection `a petite ´echelle sur Terre. Mˆeme si notre ´etude ne permet pas de trancher entre un r´egime 2D (rou- leaux stationnaires) ou 3D (panaches d´ependants du temps), nous pouvons pr´edire le
d´eveloppement d’une convection `a petite ´echelle de longueur d’onde comprise entre 150 et 300 km environ, s’alignant dans la direction du mouvement de la plaque, en accord avec les lin´eations trouv´ees dans le g´eo¨ıde filtr´e (Haxby & Weissel, 1986; Mar- quart et al., 1999). Il est int´eressant de noter la robustesse des pr´edictions concer- nant la convection `a petite ´echelle : que l’on consid`ere une vitesse constante en sur- face ou un chauffage lat´eral, que l’on prenne en compte une viscosit´e newtonienne ou non-newtonienne, on retrouve environ les mˆemes caract´eristiques des instabilit´es, nous amenant `a penser que leur existence est plus que probable en base de lithosph`ere oc´eanique. La force de cette ´etude est que ses r´esultats ne se limitent pas `a la li- thosph`ere oc´eanique : ils peuvent s’appliquer `a n’importe quel syst`eme pr´esentant un gradient thermique instable et un ´ecoulement cisaillant. Les pr´edictions concernant l’existence et la morphologie d’une convection `a petite ´echelle peut ainsi s’appliquer aux points chauds.
L’incertitude sur les vitesses relatives de la lithosph`ere et de l’asth´enosph`ere offre des perspectives int´eressantes, concernant l’implication que peut avoir la d´etermination de la convection `a petite ´echelle sous la lithosph`ere oc´eanique. En effet, la morphologie de cette derni`ere d´ependant du cisaillement, et donc de la vitesse relative lithosph`ere / asth´enosph`ere, une cartographie pr´ecise des instabilit´es devrait en th´eorie permettre de remonter `a une cartographie pr´ecise de la vitesse relative lithosph`ere / asth´enosph`ere (J. Ch´ery, communication personnelle). Si l’on admet qu’une composante active de la convection mantellique est pr´esente aux dorsales (vasth. > vlith.), et qu’en revanche c’est
la traction des plaques plongeantes qui impose les conditions limites (vlith. > vasth.)
au niveau des zones de subduction, on devrait observer successivement l’apparition d’instabilit´es `a petite ´echelle, et donc de lin´eations dans le g´eo¨ıde, `a une distance xf de
la dorsale, la disparition de ces lin´eations lorsque vasth. ∼ vlith. (plus de cisaillement),
puis leur r´eapparition lorsque l’on se rapproche des zones de subduction (r´eapparition du cisaillement `a cause du slab pull). La limite actuelle est ici fix´ee d’une part, par le probl`eme du traitement et de l’analyse des signaux g´eophysiques, en particulier du filtrage des anomalies du g´eo¨ıde, qui peut faire apparaˆıtre diff´erentes longueurs d’onde caract´eristiques, selon la m´ethode employ´ee ; d’autre part, par la r´eelle pr´esence de plusieurs ph´enom`enes de tailles diff´erentes, cons´equences des conditions aux limites complexes pr´esentes dans le manteau terrestre.
Evolution temporelle de l’activit´e
du point chaud d’Hawaii
Filtrage et analyse des observables
g´eophysiques
Sommaire
9.1 Introduction . . . 137 9.2 Les donn´ees utilis´ees . . . 138 9.3 Filtrage des donn´ees g´eophysiques . . . 139 9.3.1 Les principales composantes . . . 139 9.3.2 MiFil : une nouvelle m´ethode de filtrage spatial . . . 141 9.4 Le probl`eme de la r´ef´erence . . . 141 9.4.1 Quels points consid´erer ? . . . 142 9.4.2 Diff´erences r´egionales de subsidence : rˆole des variations de
profondeur de la dorsale Est-Pacifique (EPR) . . . 143 9.4.3 Conclusion . . . 145
9.1
Introduction
Dans la partie pr´ec´edente, nous avons caract´eris´e les diff´erents ph´enom`enes convec- tifs intervenant dans le manteau, et en particulier le rˆole de la convection `a petite ´echelle qui peut sous certaines conditions se d´evelopper en base de lithosph`ere. Son influence sur l’expression des points chauds en surface est encore mal connue, mais on peut d’ores et d´ej`a pr´evoir que dans le cas d’un panache important, du type Hawai’i, son rˆole de filtre sera n´egligeable. La figure 9.1 illustre cette hypoth`ese, en comparant l’arriv´ee en base de lithosph`ere d’un panache faible (Figure 9.1a) et celle d’un panache important (Figure 9.1b).
La deuxi`eme partie de cette th`ese, qui vise `a caract´eriser les panaches, autre ´echelle convective rencontr´ee sur Terre, tient compte des diff´erentes difficult´es que l’on peut rencontrer lorsque l’on traite des donn´ees g´eophysiques, tout en incluant
lithosphère
?
(a) (b)
Vp Vp
Fig. 9.1 – Influence de la convection `a petite ´echelle sur l’expression de surface d’un pa- nache mantellique. (a) Pour un panache faible, la convection `a petite ´echelle, combin´ee `
a l’´ecoulement `a plus grande ´echelle dans l’asth´enosph`ere, va jouer le rˆole de filtre et empˆecher le panache de s’exprimer en surface. (b) Un panache important (type Hawai’i) va pouvoir s’exprimer en surface. La nature de l’interaction en base de lithosph`ere reste d´ebattue. Vp indique la vitesse de la plaque. Les ph´enom`enes repr´esent´es ne sont pas `a
l’´echelle.
les r´esultats pr´ec´edents concernant une ´eventuelle interaction entre un point chaud et la convection en base de lithosph`ere. Nous allons dans ce premier chapitre pr´esenter les probl`emes inh´erents aux donn´ees elles-mˆemes, en montrant comment il a ´et´e n´ecessaire de d´evelopper une nouvelle m´ethode de filtrage afin de s´eparer dans les signaux g´eo- physiques les composantes qui nous int´eressent. Nous nous attacherons par la suite au cas du point chaud d’Hawai’i, et en particulier `a l’´etude de sa variabilit´e dans le temps. Cet exemple a ´et´e choisi en tenant compte des remarques pr´ec´edentes : c’est l’un des points chauds les plus importants sur Terre, et l’on peut dans ce cas supposer que la convection `a petite ´echelle n’influence pas son expression en surface. Ceci nous per- mettra de l’´etudier, sans avoir `a prendre en compte des ph´enom`enes mal contraints en base de lithosph`ere. Apr`es avoir mis en ´evidence et quantifi´e l’importante variation de l’activit´e du point chaud d’Hawai’i au cours du temps, nous terminerons par quelques remarques, en essayant de comprendre l’origine des ph´enom`enes observ´es en surface.