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Le projet PLUME : Polynesian Lithosphere and Upper Mantle Experiment

Entre 2001 et 2005, 10 stations sismiques temporaires ont été déployées sur l’ensemble des archipels de la Polynésie française pour étudier la structure du manteau sous le Pacifique sud, affecté de plusieurs point chauds.

L’océan Pacifique est le plus grand au monde et la tectonique des plaques y est des plus active. La dynamique de la plaque Pacifique a sans aucun doute un rôle clé dans la dynamique globale. Par contre, cette région, et en particulier le Pacifique sud, est l’une des plus pauvrement résolues dans les modèles tomographiques. Les territoires d’outre-mer français offrent l’unique opportunité d’aller instrumenter de façon relativement aisée une zone de l’Océan Pacifique suffisament éloignée des limites de plaques et couvrant une superficie équivalente à celle de l’Europe, nécessaire pour appréhender la structure d’un océan à une échelle suffisamment large.
Les processus géodynamiques comme la montée d’un panache ou la convection par exemple ont des signatures géophysique et géochimique ; l’équipe pluridisciplinaire (sismologie, modélisation numérique, bathymétrie, gravimétrie, géochimie et pétrophysique) engagée dans ce projet se propose de les aborder sous toutes leurs facettes.

Carte des stations sismiques en Polynésie française

Le Réseau terrestre PLUME

En déployant temporairement 10 stations sismologiques en Polynésie française les modèles tomographiques atteindront une résolution inaccessible jusqu’à présent et permettront d’apporter des éléments de réponse à des problèmes tels que 1) la localisation des points chauds, leur signature en profondeur et leur interaction avec un éventuel "superplume" responsable du "superbombement" topographique du Pacifique ; 2) le fluage du manteau supérieur sous les océans et la façon dont il est affecté par des remontées de matière liées aux points chauds ou par la structure de la lithosphère (zones de fractures, déstabilisation de la base de la lithosphère, convection à petite échelle) ; 3) la présence éventuelle de plusieurs couches d’anisotropie et leurs relations possibles avec le mouvement et le refroidissement de la plaque ; 4) l’interaction entre les panaches mantelliques et la lithosphère océanique (érosion thermique ? mécanique ?) ; 5) les transferts de matière entre les manteaux inférieur et supérieur.

Des modélisations numériques multi-échelles (depuis la convection globale jusqu’à la déformation des cristaux) apporteront des contraintes physiques sur l’interprétation des données sismologiques en terme de fluage mantellique, ainsi que sur les interactions entre déformation, échanges thermiques et réponses gravitaires (géoide, bathymétrie). Par ailleurs, les nodules de manteau remontés par certains volcans de cette région offrent l’opportunité de développer des études complémentaires et indépendantes qui permettront d’aborder les processus d’interaction entre un panache et la lithosphère (approche géochimique) et de caractériser les propriétés sismiques de ce manteau (approche pétrophysique).

Les stations sismologiques mises à notre disposition par l’INSU/RLBM ont été installées entre la fin 2001 et février – mars 2002 avec l’aide de Eric Debayle, participant de l’EOPG Strasbourg à cette ACI et de Fabrice Fontaine, doctorant à Montpellier. Les stations ont été démontées en juillet et août 2005. Sont donc disponibles selon les sites entre 2 et 4 années d’enregistrements sismologiques continus.

Station sismologique de fond de mer développée par le JAMSTEC qui ont permi d'enregistrer les tremblement de terre globaux sur les fond océaniques polynésiens.

Déploiement de stations de fond de mer du JAMSTEC

Le projet PLUME a catalysé un programme de déploiement de stations sismologiques large bande de fond de mer (Broad Band Ocean Bottom Seismometers, BBOBS) chez nos collègues sismologues Japonais (projet dirigé par D. Suetsugu du JAMSTEC) pour compléter spatialement l’expérience PLUME sur la lithosphère océanique "intacte", non affectée par les points chauds.
Navire Yokosuka du JAMSTEC qui déploya les 8 BBOBS surles fonds marins de Polynésie en Février 2003. La première phase de déploiement du réseau d’OBS japonais a été effectuée en janvier 2003 par un navire océanographique du JAMSTEC. 8 OBS ont fonctionné durant une année (losanges bleus sur la carte). Ces OBS ont été récupérés entre août et novembre 2004. Dans le cadre d’un deuxième déploiement, deux autres OBS ont été mis en place en août 2004 sur le point chaud de la Société et ont été récupérés en juin 2005 en affrétant localement un navire de pêche. La combinaison des données PLUME et BBOBS permettra de définir des modèles de plus haute résolution.

Localisation des stations du GFZ Potsdam dans les îles sous le vent, archiple de la Société

Le réseau du GFZ

En collaboration avec le groupe de sismologie profonde du GFZ Potsdam dirigé par R. KIND, nous avons effectué en février-mars 2005 un autre déploiement complémentaire de 4 stations sismologiques terrestres dans l’archipel de la Société, aux îles sous le vent (Fig. ci-contre). La problématique scientifique est d’obtenir un réseau local assez dense (distance entre stations inférieure à 50 km) pour accéder à une haute résolution dans la cartographie de la topographie de la base de la lithosphère, de la zone de transition et de ses interfaces sismologiques à 410 et 660 km. Le déploiement devrait durer jusqu’en janvier 2007.

Quelques références de travaux publiés dans le cadre de PLUME

Barruol G., D. Bosch, V. Clouard, E. Debayle, M. P. Doin, F. Fontaine, M. Godard, F. Masson, D. Reymond, A. Tommasi and C. Thoraval, PLUME investigates the South Pacific Superswell, Eos, 83, 511-514, 2002.

Suetsugu D., Shiobara, H., Sugioka, H., Barruol, G., Schindelé, F., Reymond, D., Bonneville, A., Debayle, E., Isse, T., Kanazawa, T. & Fukao, Y., 2005. Probing South Pacific mantle plumes with Broadband OBS, Eos, 86, 429-435, 2005.

Maggi, A., Debayle, E., Priestley, K. & Barruol, G., 2006. Azimuthal anisotropy of the Pacific region, Earth Planet. Sci. Lett., 250, 53-71, doi:10.1016/j.epsl.2006.07.010.

Maggi, A., Debayle, E., Priestley, K. & Barruol, G., 2006. Multi-mode surface waveform tomography of the Pacific ocean : a closer look at the lithopsheric cooling signature, Geophys. J. Int., 166, 1384-1397, doi:10.1111/j.1365-246X.2006.03037.x.

Barruol, G., Reymond, D., Fontaine, F. R., Hyvernaud, O., Maurer, V. & Maamaatuaiahutapu, K., 2006. Characterizing swells in the southern Pacific from seismic and infrasonic noise analyses, Geophys. J. Int., 164, 516-542, doi:10.1111/J.1365-246X.2006.02871.x.

Fontaine, F., G. Barruol, A. Tommasi, and G. H. R. Bokelmann (2007). Upper mantle flow beneath French Polynesia from shear-wave-splitting, Geophys. J. Int., 170, 1262-1288, doi:1210.1111/j.1365-1246X.2007.03475.x.