Pacific plate motion change caused the Hawaiian-Emperor Bend

Torsvik T. H., Doubrovine P. V., Steinberger B., Gaina C., Spakman W., Domeier M.

Nature communication, Vol. 8, 2017

https://doi.org/10.1038/ncomms15660

Pour citer cet article :
Torsvik, T. H., Doubrovine, P. V., Steinberger, B., Gaina, C., Spakman, W., & Domeier, M. (2017). Pacific plate motion change caused the Hawaiian-Emperor Bend. Nature Communications, 8(1), 1-12.

Synthèse relue par Thibault Cavailhes, laboratoire EPOC, Université de Bordeaux et Michel Dobrijevic, Laboratoire d'Astrophysique de Bordeaux, Université de Bordeaux.

La chaîne de l'Empereur, essentiellement orientée nord-sud, est plus ancienne que la chaîne hawaïenne, orientée nord-est/sud-ouest. Le mont Detroit a entre 75 et 81 Ma tandis qu'Hawaii est toujours actif (figure 1 ci-dessus) (Doubrovine et al., 2012 ; O'Connor et al., 2013 ; Sandwell & Smith, 1997).

Lorsque les modélisateurs ont tenté d'expliquer cette disposition particulière entre les deux chaînes, en supposant que le point chaud profond responsable de cette chaîne est fixe et que seule la plaque Pacifique se déplace, ils ne sont pas parvenus à obtenir un résultat similaire à celui que l'on retrouve aujourd'hui pour ces deux chaînes (Morgan, 1971, 1972, 1972 ; Molnar & Stock, 1987 ; Norton, 1995 ; Raymond et al., 2000 ; Steinberger et al., 2004 ; Doubrovine & Tarduno, 2008).

De plus, le fait de ne pas retrouver de traces d'une telle modification abrupte de direction dans le voisinage de la plaque Pacifique et pour expliquer le changement d'orientation de la chaîne Hawaii-Empereur, il a été suggéré que le point chaud était mobile (Morgan, 1972). Cette question reste encore aujourd'hui largement débattu (cette étude et les références incluses).

Les données paléomagnétiques de la chaîne de l'Empereur apportent des preuves d'un déplacement vers le sud du point chaud d'Hawaii depuis le Crétacé supérieur (vers 80 Ma BP) jusqu'à l'Éocène moyen (environ 47 Ma BP) (Tarduno & Cottrell, 1997 ; Tarduno et al., 2003 ; Doubrovine & Tarduno, 2004). Mais ce mouvement pourrait aussi bien être le fruit d'un décalage du point chaud d'Hawaii que celui d'un déplacement du pôle magnétique par rapport au manteau profond (cette étude ; Goldreich & Toomre, 1969).

De nombreuses recherches ont été menées, étudiant la possibilité d'une mobilité du point chaud durant toute la période 80-47 Ma BP, certaines de ces recherches proposent que ce déplacement serait suffisant pour comprendre la formation de cette angularité entre les chaînes de l'Empereur et d'Hawaii (e.g. Wright, 2016 ; Wilson et al., 2015).

Dans cet article, les auteurs expliquent pourquoi ils estiment que le concept simple d'un déplacement rapide du point chaud d'Hawaii vers le sud n'est pas en mesure d'expliquer l'angularité de la chaîne Hawaii-Empereur ; et ils montrent qu'étant données les contraintes nécessaires au déplacement du point chaud d'Hawaii dans les modèles géodynamiques et les données paléomagnétiques, la condition sine qua non à la formation de l'angularité entre ces deux chaînes est le changement de direction de la plaque Pacifique vers 47 Ma BP.

Résultats

La position d'Hawaii, entre le large upwelling mantellique sub-Pacifique (au sud d'Hawaii) et les régions d'ancienne subduction dans le Pacifique nord, est le résultat d'une géométrie assez simple de courants mantelliques dominés par un courant vers le sud dans le manteau moyen à inférieur, et par un courant vers le nord dans la partie supérieure du manteau inférieur.

Cette disposition particulière des courants mantelliques implique qu'il est difficile, voire impossible, d'y ajouter une composante majeure vers l'ouest, permettant la dérive du point chaud d'Hawaii, est compliqué, voire impossible.

 La figure ci-dessus (correspondant à la figure 6 de cette étude) donne une image de la plume mantellique hawaïenne et de la modélisation géodynamique associée. Se référer à l'image originale de l'article pour avoir une vision plus approfondie. (N.B. : les ondes S passent dans le manteau, ce qui implique donc qu'il est solide, le tout à composition mantellique constante)

Pour voir le détail des modèles utilisés, se référer directement à la partie résultats de l'article.

Discussion

La plaque Pacifique est la plus grande plaque tectonique de la Terre, recouvrant à elle seule 20% de la surface terrestre depuis 80 Ma. Il est donc essentiel de bien comprendre l'histoire du mouvement de cette plaque pour obtenir des reconstructions paléotectoniques et des modèles géodynamiques robustes.

Les données géométriques et chronologiques de l'évolution de la chaîne de l'Empereur démontrent qu'il est presque impossible de reproduire l'angularité séparant les deux chaînes (Empereur et Hawaii) sans prendre en compte un changement de direction dans le mouvement de la plaque Pacifique, il y a 47 Ma.
Ne pas induire de changement dans la direction de la plaque Pacifique sous-entend un déplacement beaucoup trop important du point chaud d'Hawaii compte-tenu du fonctionnement des modèles géodynamiques tels que nous les connaissons aujourd'hui.

Ajoutons qu'attribuer l'angularité entre les deux chaînes uniquement à un déplacement du point chaud sous-entendrait un mouvement particulièrement lent de la plaque Pacifique entre 80 et 47 Ma BP, ce qui n'est pas réaliste, pas plus que l'accélération de la plaque qui en résulterait entre 47 Ma et l'actuel, et qui reviendrait à sextupler sa vitesse après 47 Ma.

En revanche, un changement de direction de la plaque Pacifique vers 47 Ma BP, associé à un faible déplacement vers le sud du point chaud, permet de reconstruire à la fois la géométrie et la chronologie des évènements de la chaîne Hawaii-Empereur.