6.1) Contexte géologique des Galápagos
L’archipel des Galápagos est constitué d’îles et de monts sous-marins posés sur une plateforme volcanique sous-marine. L’ensemble est situé sur la plaque Nazca (Fig. 82), au sud de la plaque Cocos. Le centre d’expansion Galápagos (en anglais Galápagos Spreading Center) est situé à environ 200 km au nord de l’archipel. La dorsale Galápagos (GSC) est une dorsale avec des vitesses d’expansion intermédiaire. La vitesse d’expansion globale varie de 45 mm/an à 98°W, à 63 mm/an à 86°W (Demets et al., 1994).
Fig. 82. Localisation de l’archipel des Galápagos et de son point chaud. A) Situation de l’archipel par rapport aux plaques. B) Carte bathymétrique de l’archipel avec l’emplacement des stations sismiques temporaires du réseau IGUANA. La direction du mouvement absolu de la plaque Nazca est comprise entre 88°E et 91°E. La vitesse de déplacement est de 21 km / Ma (Gripp et Gordon, 2002). L’étoile en rouge représente le centre de la région où la zone de transition est moins épaisse que l’ordinaire.
A)
B) Cocos
Le point chaud des Galápagos pourrait être situé à l’ouest de l’île de Fernandina, en raison :
i) de rapport élevé en 3
He/4
He (Graham et al., 1993; Kurz et Geist, 1999), ii) de l’activité volcanique plus intense à l’ouest de l’archipel,
iii) de la localisation par les fonctions de transfert à 40 km au sud-ouest du centre de l’île de Fernandina du centre d’amincissement (étoile représentée en rouge à la Fig. 82b) de la zone de transition (Hooft et al., 2003). Cette région moins épaisse de la zone de transition de 18 km par rapport à la normale possède un rayon de 100 km.
Montelli et al. (2004), montrent en utilisant des modèles tomographiques globaux que le point chaud des Galápagos est bien identifié dans le manteau supérieur mais que sa continuité dans le manteau inférieur n’est pas claire.
Le point chaud pourrait être actif depuis 90 Ma (Sinton et al., 1998). Les observations géochimiques montrent une forte interaction entre la dorsale Galápagos (GSC) et le point chaud (e.g., Harpp et Geist, 2002).
6.1.1) Reconstruction paléogéographique (formation de l’archipel)
L’évolution du point chaud des Galápagos lors des 20 derniers millions d’années (Ma) s’est faite en relation étroite avec la dorsale GSC. La séparation de la plaque océanique Farallon en deux plaques: Cocos et Nazca s’est produite il y a 25 Ma (Hey, 1977). Le point chaud des Galápagos pourrait être situé il y a 20 Ma sous la dorsale (Sallarès et Charvis, 2003). Selon la reconstruction tectonique de Sallarès et Charvis (2003), un saut se produit au niveau de la dorsale entre 19 et 20 Ma et la réoriente. Elle passe de N45°E à N75°E, son taux d’expansion diminue. L’interaction entre le point chaud et la dorsale crée un épais plateau océanique. La dorsale est restée à proximité du point chaud entre 20 Ma et 12 Ma (Fig. 83). Le déplacement de la dorsale vers le Nord, entre 19.5 Ma et 14.5 Ma est compensé par des sauts de la ride vers le sud. Les sauts de la ride pourraient être contrôlés par le point chaud (Barckhausen et al., 2001).
Le point chaud est localisé au nord de la dorsale entre 12 Ma et 7.5 Ma, sous la plaque Cocos.
A partir de 7.4 Ma et jusqu’à 5 Ma, le point chaud est à nouveau centré sous la dorsale. Depuis cette période (depuis 5 Ma), le point chaud est situé sous la plaque Nazca. La plaque Cocos est en subduction sous la plaque américaine.
Le point chaud des Galápagos était probablement dans la situation actuelle du point chaud de l’Islande à deux moments: entre 20 et 22 Ma, et entre 5 et 7.4 Ma.
Fig. 83. Reconstruction tectonique de la formation de la province volcanique des Galápagos depuis 20 Ma. D’après Sallarès et Charvis (2003). PFZ=zone de fracture Panama, IFZ=zone de fracture Inca, YG=fossé de Yaquina, Ca= ride Carnegie, Co=ride Cocos, M= ride Malpelo. Les flèches (UN et Us) le long de la dorsale (a) indiquent la direction d’expansion de la dorsale. Les vecteurs VNS et VEW
représentent respectivement les directions de déplacement de la dorsale par rapport au point chaud, et de l’archipel des Galápagos par rapport au craton sud américain fixe.
6.1.2) Modèle géodynamique
L’analyse en composantes principales de la géochimie des laves des îles et monts sous-marins des Galápagos permet d’identifier 4 réservoirs isotopiques distincts (Harpp et White, 2001) avec des compositions:
i) proches des laves des îles océaniques (PLUME),
ii) de laves issues des dorsales océaniques, du manteau appauvri (DGM),
iii) de laves dont la composition, riche en éléments en trace, est typique de celle observée pour les laves de l’île de Floreana (FLO). Cette composante pourrait être liée à de la croûte océanique recyclée, qui aurait été subductée puis piégée par le panache mantellique,
iv) de laves d’une composition que l’on retrouve dans les laves de Wolf et Darwin (WD) et dans des monts sous-marins au nord-ouest de l’archipel. Cette composante pourrait être associée à du manteau situé sous une plaque continentale.
2 forces principales pourraient agir dans le manteau sous l’archipel des Galápagos. (Fig. 84). D’une part, des courants mantelliques dirigés vers le bas, liés à la diminution de la contribution du point chaud dans la direction de déplacement de la plaque, approximativement vers l’est. D’autre part, un écoulement latéral profond, en direction de la dorsale qui alimente le manteau situé sous la dorsale.
Fig. 84. Cartoon représentant le point chaud sous l’archipel des Galápagos. D’après Harpp et White (2001). Modèle initial de White et al. (1993) d’un panache mantellique cisaillé par l’asthénosphère. Les lignes en pointillés marquent la limite inférieure de la lithosphère (Feighner et Richards, 1995). Les flèches montrent les directions d’entraînement de l’asthénosphère appauvrie vers le panache mantellique. Les diapirs représentent des poches de liquide. A) Coupe est-ouest à travers le centre de l’archipel. Le panache mantellique est courbé sous la lithosphère. B) Coupe nord-sud au niveau de Roca Redonda, de l’île d’Isabela. FLO=réservoir géochimique appelé Floreana où les laves ont des compositions voisines. PLUME=réservoir géochimique de laves dont la composition est proche de celle d’un point chaud, c’est le cas des compositions mesurées à Fernandina. TF = zone de fracture séparant une lithosphère plus épaisse à l’Ouest qu’à l’Est (Feighner et Richards, 1994).
A)
6.2) Analyse de la biréfringence des ondes de cisaillement au niveau de l’archipel des Galápagos
Résumé
Nous présentons le résultat de mesures du déphasage des ondes SKS, et SKKS au niveau de l’archipel des Galápagos. L’analyse des variations latérales des paramètres d’anisotropie sismique (direction de la polarisation rapide et retard) nous permet d’examiner l’interaction entre le point chaud des Galápagos et la dorsale GSC (Galápagos Spreading Center). Les données proviennent de 10 stations larges bandes installées temporairement de 1999 à 2003 dans le cadre de l’expérience IGUANA et d’une station large bande permanente du réseau GSN (Global Seismograph Network) installée à Santa Cruz (PAYG). La distance entre les stations sismiques varie entre 50 et 70 km. Nous avons utilisé deux méthodes afin de déterminer les paramètres d’anisotropie: i) la méthode mono-événement de Silver et Chan [1991] et ii) la méthode de stacking de Wolfe et Silver [1998]. Les deux méthodes donnent des résultats qui sont proches sauf en quelques stations à cause du bruit océanique qui est élevé, dans ce cas la deuxième méthode donne des résultats plus robustes.
A l’exception d’Española, la direction de polarisation rapide mesurée au Nord et au Sud de l’archipel est comprise entre N85-90°E, proche de la direction du mouvement absolu de plaque Nazca (N91°E). Les retards mesurés entre l’onde qS1 et qS2 sont: 0.4 ± 0.13 s à Pinta (G10), 0.65 ± 0.18 s à Punto Albemarle (G05), 0.85 ± 0.28 à Española (G02), 0.9 ± 0.28 s à Fernandina (G06), et 0.9 ± 0.45 s à Caleta Iguana (G07). Etant donné l’âge de la lithosphère (entre 0 et 20 Ma) et sa proximité avec d’une part, le point chaud et d’autre part, la dorsale, l’épaisseur de la lithosphère océanique semble inférieure à 40 km sous l’archipel. En considérant une anisotropie intrinsèque moyenne de 4% obtenue pour des péridotites naturelles [Mainprice et Silver, 1993], on estime que la contribution maximale de la lithosphère sur les retards ne dépasse pas 40%.
De manière surprenante, nous n’observons pas d’anisotropie apparente, avec les deux méthodes, au niveau du centre de l’archipel des Galápagos. Cette absence d’anisotropie apparente pourrait s’interpréter comme l’absence de fabrique mantellique fortement orientée. Cependant, une telle hypothèse semble peu probable dans cette région dynamique où l’on s’attend à une forte déformation du manteau supérieur. Il ne nous semble pas non plus probable que l’isotropie soit due à une orientation verticale de l’axe a de l’olivine au centre de l’archipel car le point chaud des Galápagos est localisé au sud-ouest de Fernandina. L’hypothèse de deux couches d’anisotropie, avec des directions de polarisation rapide de chacune des deux couches qui seraient orientées perpendiculairement l’une de l’autre est également peu vraisemblable, car cela impliquerait que les deux couches d’anisotropie soient confinées au niveau du centre de l’archipel. Par contre, il semble exister une corrélation entre cette région d’isotropie apparente et une zone du manteau supérieur où les vitesses sont anormalement faibles, imagée sous Santiago et Marchena par tomographie sismique en ondes de surface par Villagomez et al. [2004]. Ces observations suggèrent que la présence de poches de liquide dans le manteau supérieur, au centre de l’archipel, pourrait diminuer l’effet de la fabrique sur le déphasage des ondes de cisaillement, ce qui serait en accord avec les résultats des expériences de Holtzman et al. [2003]. Une autre possibilité serait que l’écoulement sous cette région soit complexe, à cause de la proximité du point chaud avec la dorsale GSC, ce qui résulterait en une isotropie apparente. Nous proposons que l’anisotropie mesurée par le déphasage des ondes de cisaillement soit le résultat d’une anisotropie lithosphérique fossile, et d’une anisotropie asthénosphérique avec l’axe a de l’olivine orienté selon la direction du mouvement absolu de la plaque Nazca. La présence de liquide dans le manteau supérieur au centre de l’archipel pourrait résulter en une isotropie apparente.