Évolution Temporelle et Spatiale du Système d'Interaction entre le point chaud de Tristan da Cunha et la Dorsale de l'Atlantique Sud.

Abstract

In this work we have studied the space and time evolution of the Tristan hotspot and south Mid-Atlantic Ridge interaction system. The Tristan hotspot and its associated bathymetrical features (i.e. Walvis Ridge in the African plate and Rio Grande Rise in the South American plate) are ones of the most significant features of the South Atlantic Ocean. However, this system is not as well studied as the systems in the North Atlantic (e.g. Azores and Iceland), and their origin and evolution is an open subject. Data compilation of the available surveys from the National Geophysical Data Center (NGDC) and satellite-derived bathymetry were treated to generate a Digital Elevation Model (DEM) for the entire South Atlantic Ocean. Satellite-derived free-air anomaly data and sediment thickness data were used to calculate the mantle Bouguer anomaly (MBA) and digital isochrons of the ocean floor were used to calculate the residual mantle Bouguer anomaly (RMBA), residual bathymetry and new poles for the South America and Africa relative plate motions. Satellite-derived geoid data and the Earth Gravitational Model - EGM2008 were used for the separation of the different components in the geoid data with the calculation of filters using different levels and degree of spherical harmonics. From kinematic reconstructions based on new rotation poles calculated in this work and using the most accepted hypothesis for the current position of the hotspot, as the volcanic island of Tristan da Cunha, the chronology of the emplacement of the volcanic structures could be detailed. This highlighted the existence of several axes jumps and periodic variations in the magma supply to the axis resulting in a periodic alternation between periods of construction and axial ruptures of the axial plateau. The detailed comparison of the estimated position for the Tristan da Cunha hotspot and the location of the volcanic structures of the Walvis Ridge whose ages are known, underlined that the formation of the Walvis Ridge cannot be explained in its entirety by the evolution model involving an interaction between the South Atlantic Mid Ocean Ridge and a hotspot whose current position is in the island of Tristan da Cunha. Next, we evaluated the temporal evolution of the influence of the hotspot to the South Atlantic Mid-Ocean Ridge axis with respect to changes in the residual bathymetry (RB) and the residual mantle Bouguer anomaly (RMBA) with the analysis of variations in the spreading rate and the hotspot-ridge distance. For the early stages of the South Atlantic opening, the RMBA and BR anomalies are stronger for the African plate then for the South American plate. This suggests that the position of the hotspot was beneath the African plate since the beginning of the opening of the South Atlantic Ocean. In summary, there are three different periods for the Tristan da Cunha hotspot and South Atlantic Mid-Ocean Ridge interaction system. A period of rapprochement of the ridge to the hotspot between 115 Ma and 100 Ma, in which it is observed the influence of the hotspot on the ridge axis for at least the distance of 150 km. Then, between 95 Ma and 60 Ma, we observed that the ridge is directly above or very close (<50 km) of the hot spot. Then, since 60 Ma, it is observed a gradual and progressive separation of the ridge from the hotspot position. Have been shown that in periods of rapprochement and ridge directly above of the hotspot the observed periodic variations of the magmatic contribution are related to changes in the flux of the plume. From the analysis of the evolution of volcanic structures, together with the free-air anomaly and geochemistry data, the volcanic structures have been divided into two groups. A group formed by the NW border of the Walvis Ridge was called first phase, consistent with the evolution of structures from a context of the mid-ocean ridge directly above the hotspot to the emplacement of the intraplate situation, in agreement with the three periods, rapprochement, directly above and displacement, as described above. The other group, formed by the SE border of the Walvis Ridge was called second phase and shows a gravity signature that is characteristic of intraplate setting up even for structures with ages in which the position of the mid-ocean ridge was directly above the hotspot. The two groups have different geochemical signatures, Zr/Nd ratio and Ti abundance. Then, from the comparative analysis of different degrees of spherical harmonics of the geoid and the new results available in the literature for the seismic tomography, we have shown the existence of an deep association between the plume responsible for the volcanic structures of the Rio Grande Rise and Walvis ridge with the African superplume. The identification of three mantle anomalies close to the islands of Gough and RSA seem a better alternative for the hotspot actual position than the location of the island of Tristan da Cunha accepted today.Dans ce travail nous avons abordé l'évolution spatiale et temporelle du système d'interaction entre le point chaud de Tristan da Cunha et la dorsale de l'Atlantique Sud. Le point chaud de Tristan da Cunha et les structures associées du fond océanique (à savoir la chaîne volcanique de Walvis dans la plaque africaine et l'élévation du Rio Grande dans la plaque sud-américaine) sont parmi les plus importantes de l'océan l'Atlantique Sud. Cependant, ce système est moins étudié que les systèmes présents dans l'Atlantique Nord (par exemple Açores et Islande), et leur origine et évolution restent sujets à débat. La compilation des données de sondage bathymétrique hébergées auprès du Centre National de Données Géophysique (National Geophysical Data Center - NGDC), et les données de bathymétrie dérivées de l'altimétrie de satellites furent utilisées pour l'élaboration d'un modèle numérique de terrain (MNT) de l'ensemble de l'Atlantique Sud. Les données d'anomalie à l'air libre dérivées de l'altimétrie de satellites et les données d'épaisseurs sédimentaires furent utilisées pour le calcul de l'anomalie de Bouguer réduite au manteau (Mantle Bouguer Anomaly - MBA) et avec les données des isochrones du fond océanique furent calculées l'anomalie résiduelle de Bouguer réduite au manteau (Residual Mantle Bouguer Anomaly - RMBA), la bathymétrie résiduelle et des nouveaux pôles du mouvement relatif entre les plaques de l'Amérique du Sud et Afrique. Les données de géoïde dérivées de l'altimétrie de satellites et le Modèle Gravitationnel de la Terre (Earth Gravitational Model - EGM2008) furent utilisés pour la séparation des différentes composantes dans le signal du géoïde, grâce à des filtres retenant différents ordres et degrés d'harmoniques sphériques. À partir des reconstructions cinématiques basées sur les nouveaux pôles calculés dans ce travail, et en se basant surl'hypothèse communément admise que l'île volcanique de Tristan da Cunha se situe à l'aplomb dela position actuelle du point chaud, la chronologie des phases de mise en place des structures volcaniques a pu être précisée. Ceci a mis en évidence l'existence de plusieurs sauts d'axes et des variations périodiques de l'apport magmatique à l'axe entrainant une alternance entre périodes de construction et de rupture du plateau axial. La comparaison détaillée de la position estimée pour le point chaud de Tristan da Cunha et de la localisation des structures volcaniques de la chaine Walvis dont les âges sont connus a souligné que la formation de la chaîne Walvis ne peut pas être expliquée dans sa totalité par un modèle d'évolution faisant appel à une interaction entre la dorsale de l'Atlantique Sud et un point chaud dont la position actuelle serait l'île de Tristan da Cunha. Ensuite, nous avons évalué l'évolution temporelle de l'influence du point chaud à l'axe de la dorsale, sur aux variations de la bathymétrie résiduelle (BR) et de l'anomalie résiduelle de Bouguer réduite au manteau (RMBA), et avec l'analyse des variations du taux d'ouverture et de la distance point chaud-dorsale. Les valeurs des anomalies de RMBA et BR, lors des premières étapes d'ouverture de l'Atlantique Sud, sont plus fortes sur la plaque africaine que sur la plaque sud-américaine. Cela suggère que la position du point chaud a été sous la plaque africaine depuis le début de l'ouverture. En synthèse, on observe trois différentes périodes dans le système d'interaction entre le point chaud de Tristan da Cunha et la dorsale de l'Atlantique Sud. Une période de rapprochement de la dorsale vers le point chaud entre 115 Ma et 100 Ma, lors de laquelle on remarque l'influence du point chaud sur la dorsale sur une distance d'au moins 150 km. Ensuite, entre 95 Ma et 60 Ma, on observe que la dorsale est à l'aplomb ou très proche (< 50 km) du point chaud. Et depuis 60 Ma, un éloignement graduel et progressif de la dorsale par rapport à la position du point chaud est observé. On a pu montrer que lors des périodes de rapprochement et de proximité de la dorsale au point chaud, les variations périodiques d'apport magmatique observées sont liées aux variations du flux de panache. A partir de l'analyse de l'évolution des structures volcaniques, en association avec les données d'anomalie à l'air libre et de géochimie, les structures volcaniques ont pu être divisées en deux groupes. Un groupe formé par la bordure nord-ouest de la chaîne Walvis et appelé première phase, cohérent avec l'évolution des structures dans un contexte de transition d'une mise en place à l'axe vers une situation intraplaque, en accord avec les trois étapes (rapprochement, fixation à l'aplomb et éloignement) décrites ci-dessus. L'autre groupe, formé par la bordure sud-est de la chaîne Walvis et appelé deuxième phase, montre une signature gravimétrique caractéristique d'une mise en place intraplaque, y compris pour les structures à l'âge desquelles la dorsale est à l'aplomb du point chaud. Les deux groupes possèdent signatures géochimiques différentes en termes de rapports Zr/Nb et d'abondance en Ti. Ensuite, à partir de l'analyse comparative des différents degrés d'harmoniques sphériques du géoïde et des nouveaux résultats de tomographie sismique disponibles dans la littérature, nous avons pu montrer l'existence d'une association en profondeur entre les panaches responsables des structures volcaniques de l'élévation du Rio Grande et de la chaîne Walvis et le superpanache africain. L'identification de trois anomalies mantéliques proches des îles de Gough et RSA semblent en faire une meilleure alternative d'emplacement que l'île de Tristan da Cunha, qui est l'hypothèse communément acceptée aujourd'hui