Evenements volcaniques cretaces dans le Pacifique Ouest et

__ , ____ ____________________ ____ _ o_C _E_ AN __ o_L_ OG __ C _A __ A_CT_A_'_ _~ __ , _ V_O_ L _.S_P_É _ C _ ~ ___ IO ____ ~
Evénements volcaniques crétacés
dans le Pacifique ouest Croûte océanique
Jurassique
Volcanisme jnlta-plaque
Événements volcaniques du crétacé
Pacifique ouest
et origine du bassin de Nauru, Oceanic
croSI
Jurassic
Intra-plate yolcanism
Cretaceous volcanic cvents
West pacifie
(campagne Mesopac)
RÉsuMÉ
ABSTRACT
Véronique FRO GE R, Yv es LANCE LOT 11
a Laboratoire de Géologie Océanique et équipe SOHO associée au CNRS (URA 388),
UnÎversité P. el M. Curie, 4 place Jussieu. 75252 Paris Cedex 05.
Reçu le 07/05/90, révisé le 30/05190, accepté le 28!06f:JO
La partie occidentale de la plaque Pacifique où la croûte océanique est d'âge jurassique a
connu une activité volcanique exceptionnelle au cours du Crétacé. Cette aclivité a non
se
ul ement produit de très nombreux volcans (îles, guyots, montagnes sous-marines) mais
aussÎ d'épaisses accumula
li ons de produits volcaniques dans le fo nd des bassins co uvrant
plusieu
rs millions de km2 et qui s'expriment sous la fo nn e de séries massives composées de
turbidiles volcanoclastiques ou d'intrusions et de coulées basaltiques. La campagne
Mesopac du
N/O Jean Charcot dans le bassin de Nau ru a permis d'utiliser pour la première
fois dans
ces régio ns la sismique multitrace af in d'es ti mer l'épaisseur des dé p ôts
volcaniques crétacés et de dé tenniner la profondeur du sommet de la croûte océanique
jurassique sous-jacente.
Les résultats obtenus,
co uplés à ceux des forages OSOP, montrent que la profondeur
ano
rm alement fa ible du bassin de Nau ru résulte d'un re mp li ssage de ce bass in par des
co ulées et i nt rusions basaltiques constituant un "complexe volcaniqu e" d'une épaisseur d'au
m
oi ns 2,4 km, et non d'un bombement thennique de la li th osphère. Après calcul de la
surcharge imposée par ce complexe volcanique, la profondeur du sommet de la couche 2
sous-jacente a en effet pu être estimée et replacée à une profondeur "nonnale" suivant les
co
ur bes classiques de subsidence de la croûte océa ni que.
OceanologÎca Acta, 1990, volume spécial 10, Actes du co ll oque Tour du Monde Jean
Charcot, 2-3 mars 1989, Pa
ri s. 000-000.
Cretaceous vo lc a ni c eve nt s in th e western Paci fic and or igin of th e Nau ru
basin (Mesop ac cruise).
The weste rn part of the Pacific plate, where the oceanic crust is of Jurassic age, h as
undergone exceptional volcanic act iv it y du ri ng the Cretaceous. Il h as produced numerous
volcanoes (oceanic islands, guyots, seamounts)
as we il as very Ih ick accumulation of
volcanogen ic material in the deep bas in s. These accu mu lations coyer several 1 ()6 km2 and
consist
of volcanoclastic tu rb idites, s ill s and fl ows. The Mesopac c ru isc of the RN Jean
Charcot in the Nauru Basin obtained multich an nel seis mi c profiles for the tirst time in
these regions. Th
is technique ai m ed at estimating the thickness of the crctaceous volcanics
and locating the top
of the underlying Jurassic c ru s!.
The results, wh en compared with th ose of OS OP dri ll holes, demonstra te that the
abnorma
ll y shallow dep th of the Na uru Bas in results from an accumulation of flows and
si ll s th at cons ti tute a "volcanic complex" al least 2.4 km thick, and not from a thermal
upli
ft of th e Ii lhosphere. After removing th e load of the volcanic complex the top of
layer 2 has been est im ated 10 li e close to the expected depth fo r oceanic crust of middle to
upper
Ju rassic age.
Ocean%gÎca Acta, 1990, volume spécial 10 , Actes du colloque To ur du Monde Jean
Charcot, 2-3 mars 1989, Paris. 000-000.
241

v. FR OGER, Y. LANCELOT
LNTRODUCflON
La panie occidentale de J'océan Pa cifique se caractérise
par
une multitude de reli efs: montagnes sous-marines ct
vastes plateaux so us- marin s (fig. 1). L es bassins
profonds qui apparaisse nt plus ou moins confuséme nt
en tre ces s tru c tu res o nt des profondeurs très variab les qui
ne
se mbl en t pas à premi ère vue témoigne r
systématiq uement d'une sub
si dence "normale" de la
croûte
océa nique. On y ob se rve en effet de grands
"bombeme nt s" co mm e le bassin de Nauru. ou la ride de
Marcus-
Wak e, ou encore l' espèce de "bouclier" sur
lequel repose
nt les mo nt agnes so us-marines du Pacifique
centr al (" Mid -P ac mountains")
Quatre types de s
tru ctures dont l'origine vo lcanique a été
re co nnu e de pui s longte mp s sont prése nt s:
• de grands plateaux dits "aséismique s" :
• de grands a li gneme nt s d'édi fi ces volcaniques;
• des îles et "montag ne s sous-marines" ou des guyots,
soit isolés soit groupés:
• de vasl es épanchements ma gmatiques tapissa nt le fond
de ccn ains bassins CI recouvra nt la croûte océanique
origine
ll e.
Figure 1
Tous l es grands plateaux volcaniques du Pacifi que
occide nt al sont d·âge crétacé ou plus ancien et touS
semblenl ré sulter d'une activité volcanique de dorsale
(
Wall s el al., 1980). Le s grands alignements volcaniques.
comme l
es chaînes Empereurs-Hawaii, îles de la Ligne-
Tuamotu ct Gambier-Marshall-Gilben, onl été attribu és
par Morgan ( 1 972) à l'activité volcanique li ée au
déplacement de la
pl aque P aci fiqu e sur un ensemble de
trois points chauds rest
és fixe s. On a montré depuis que
l'alignement Marshal!-Gilben n'était probableme
nt pas
de
la même o ri g in e ( \Vim erer, 1973 : Lancel ot. 1978) et
un e co nt roverse reste ouvene en ce qui concerne l'o ri g in e
de l'aligneme
nt des îles de la Li gne qui pour les uns
rep
ré se nt e un e tra ce de point chaud (Lancelot, 1978) et
pour d'
autr es une structure intraplaqu e diff érente
(S chlanger et P rc moli·Silva, 1981 ; Jackson el Schlanger,
1976). En revanche la chaîne d
es Carolines, alignement
or ienté grossièrement est·ouest entre le bassin Est-
Ma riannes et le plateau d'Ontong-Java, se mble bien
correspondre à
un e trace de point cha ud (Keat in g el al .•
19 84). Le s îles océani qu es , les guyots et les montag ne s
so us-marin es, i so lés ou regroupés sans aligneme nt
appare nt , constitue nt de par l eur nombre et le vol um e
magmatique qu'ils représentent un élément essentiel de
l'histoire de la plaque Pacifique. Les très
no mbreux
B athY ,métrie simplHiée du Pacifiq ue occidental avec indication des sites de forages DSDP et ODP implamts au droit de la eroûle
~an ~qu e supposée d'age jurassique. Cadre en tireté : région de COllC": ntration de J'élUde de s profils sismique s.
SJnIf'IiI!~d baihynlflr)' of /h~ wtSl~rll Pa cifie. wilh indica/ioll of DSDP and OOP drill sllu loc Ul ed O "lr oc~o lli c cr USI of suppoud
Jartus/coge.
242

tVÈNEM EN TS VOLCANIQUES CRÉTACÉS DANS LE PACIFIQUE-OUEST
dragages qui ont pennis d'échant ill onner soit les roches
vo lcaniques qu i composent le su bstratum de ces édifices
soit les sédiments
ou les récifs cora ll ie ns submergés qui
les recouvrent ont montré qu'ils ont pour la
pl upan été
formés au
co urs du Crétacé (et généralement entre
l'Ap
ti en et le Cénomanien ), cenai ns d'entre eux ayant été
témoins d'un second épi
sode volcani que à l'Eocène
(Heezen,
McGregor et al. , 19 73 : Schlanger 1963 ;
Schlanger et
al" 198 1 ; Menard, 1984 ; Winterer et al"
1989).
En ce qui co ncerne l es bass in s profonds, ce sont les
ét
ud es sismiques puis les forages qui ont pennis de
déco uvr ir la pré se n ce de vast es é pa nch ements
volcaniqu es et d'intrusions d'â ge crétacé infé ri eur à
moyen. Tout d'abord la sismique réflexi on monotrace a
permis de montrer que
Je so cle acoustique dans ces
bassins consistait
en général en un "horizon réverbérant"
(Ewing
et al., 1968) vi sible dans l' ensemble du Pacifique
occide ntal. Cet h or izon qui se distingue du so cle
océanique classique (couche 2) par son caractère li sse et
horizontal a été r econnu pa r les fo r ages comme
correspondant à un "complexe" volcanique intraplaque,
composé tantôt de co
ul ées ex trusives, tantôt de sills, et
tantôt de lurbidites volcan oc lastiques (Winterer, Ewing
Figure 2
et al" 1 973; Larson, Schlanger et al" 1981 ; Mobe rl y,
Sc hl anger et 0/., 1986 ; Lancelot, Larson et 0/., 1990).
Une corrélation étab li e entre le s résultats des forages et
la couverture sismique a permis d'estimer l'extension
horizontale de ce complexe volcanique à plus de
I()II km
2
(fig. 2),
Au cours de la campagne Me sopac du N/O Jean Charcot
(Froger.
1989 ; Lancelot el 0/., 1990) a été effectuée la
première reconnaissan
ce de la stru cture interne du
complexe volcanique au moyen de la sismique mu
lt itrace
dans le bassin de Nauru. Pour la première
foi s il a été
ai
ns i po ssible d'estimer l'épaisseur mini ma le des couches
volcaniques et de proposer une
no u ve ll e exp li cation pour
la
profondeur anorma l eme nt fai ble de ce bassi n
océaniqu
e.
LE BASSIN DE NAURU
Situé à l' Ouest du bassin du Pacifique central, le bass in
de Nauru est délimité au nord par les mO nl agnes sous-
marines du Pacifique ce
nt ral ("Mid-Pac Mountains" des
a
ut eurs anglo-saxons), au sud par le plateau d'Ontong-
·~, .nUl IIlCU l""
( UIUlS Il IlUS l')
\,) ,,, 11 11 1
Extension géographique probable des manif c.~ tation s des ~vèncmc nl s volcaniques du "Cn!tact moyen" dans le Pacifique occidentat,
D'après Fr oger (1 989),
Sugg~sled ~ x/erzs i oll of/he "mid·Crelaceou s" vo/canic t:II~nlS jn Ih ~ ... eSI~rll P(J âfic, Afler Froger (1989),
243

V. FROGER, Y. LANCELOT
Java, et à l'est par J'alignement des îles Marshall ct
Gilben (
fi g. 3). Il est caractérisé par un fond incliné en
pente douce
et régulière vers le nord. La profondeur varie
d'envi
ron 5 000 mètres dans la panic sud-o ue st au pied
du plateau d'Omong-Java, jusqu'à environ 5 200 mètr
es
dans Je tiers nord du bass in .
C'est au cours
du Leg 61 du Dcep Sea Orilling Project
(DSDP) (Larson, SchJanger, et al., 1981),
au Site 462,
qu 'a été foré pour la première fois sur plus de 500 mètres
d'épai
sse ur le complexe volcanique. Il est apparu
composé de
si ll s et coulées basaltiques. et de sédiments
voJcanoclastiques. Le
si t e. équi~ d' un cône de réentrée. a
été foré une seconde fois Jo rs du Leg 89 (Mobe rl y.
Sc hlanger. et al., 1986) afin de traverser complètement
les roches volcaniques du complexe et d'échantillonner
la croûte
originelle sou s-jaee nl e. 141 mètres sup-
plémentaires Ont été ainsi for és. ponant à 1 209 mètres la
profondeur
to ta le du puils sans que la base du complexe
ait
pu être atteinte.
Les anomalies magnétiques canographiées dans le bassin
de
Nauru appartiennent à la série d es anomalies
"Phoenix" (Larsan et Chase, 1972). Elles sont orientées
WSW-ENE et vont de l'anomalie Ml 6 au s ud jusqu'à
l'ano
mal ie M29 au nord (fig. 3). Elles sont con si dérées
par Larson et Chase comme d'âge
jUl"'.lss ique supérieur à
cré
ta cé inférieur. La profondeur du bassin de Nauru
apparaît donc comme anonnalement faible
si on suppose
qu'
il repose s ur une croûte océanique de cet âge.
Le Site 462 localisé dans
la panic nord du bassin de
Nauru, au droit de
ranomalie ma gnétique M26. fa it
supposer une croûte océanique d'âge oxfordien. soit
e
nvi ron 158 Ma (Kent el Gradstein, 1985). Les données
pétrologiques (Shcheka,
1981 ; Tokuyama et Baliza,
1981), géochimiques (Saunders. 1986), paléo-
magnétique s (Steiner, 1981), radiochronologiques
(Ozima. et al .. 1981 ; Takigami. 1986: Castillo et al .•
1986) et biostratigraphiques (Schaaf, 1986) ont montré
que les basaltes rencontrés dans la panie inférieure de
la
sect ion traversée par le forage sont d'âge valangini en à
campanien et corresponde
nt à deux types distincts et
successifs d'activité volcanique: extrusion dc co
ul ées au
cours du Néocomien (âge ma x imum 130 M a) et intrusion
de
si ll s au cours de l'A lbicn ( IOOà 110 Ma ). Le s bordures
du ba ssin de Nauru ont connu une activité volcanique qui
s'est poursuivie au-delà de l'Albicn : achèvement de
l'édification des îles Marshall au Crétacé supérieur
(Campanien), récurrence du volca
ni sme dans la ré g ion
d'Eniwetok à l'Eocène. activité récente du point chaud
des
îl es Carolines (île de Ku saïe : 1.2 à 2,6 Ma) (Keating
etai., 19 84).
Le bassin de Nauru fait donc partie d'un
ensemble
structural caractérisé par un volcanisme intraplaq ue très
intense exprimé à la foi s par des coulées basaltiques
(dans
les grands fond s), par des si Us et par la construction
d'édifices volcaniques (îles et guyots). Ce volcanisme
apparaît essentiellement d'âge cré
ta cé "moyen". Il couvre
244
la période allant au moins du Valanginien au Campanien.
Dans la panie profonde du bass
in sills el coulées ont
apparemment r eco uvert la croû te an cie nne, daté e
indirectement
du Jurassique su pé ri e ur par l es anomalies
magnétiques de la sé
ri e " Ph oenix".
"
..
•. ~-------" "-------~---------" ~C< ' ----c"
.to .,., .to
Figure 3
Ca rle b ath ym étrique " SYNBAPS " de la rl!gion Nauru · Marshall -
Qilbl!n-
Pll cifiquc ccnlJal. D'après Van Wykhouse (1978). &tuidislallcc
d es courbes: 1000 m. Anomalies m ag n l! tîques de la sl!ric
"Phoenîx"
(Ml ~ M29) d'après Larsoo CI Ch ase (1972). Larson (1976) el
Cande CIal. (1978).
"SYNAP S- oolhymelric fIUlp of the Nauru·Marshall·Gilbert·Centrat
Pacifie arco.
Afltr van W)'khousc (1978). tsobarhs ore t 000 m.
"Phoenix" magnt!tic aJWmalics of/cr !.orSOIl and Chase (1971). !.orsan
(1976) and Conde et al. (1978).
STRATIGRAPHIE SISMIQUE
La st ratigraphie si sm ique du bas si n de Nauru et de la
panie occidentale du bassin du Pacifique central a é
té
établie à partir de l'interprétation de la co ll ection de
profils sismiques monotraces du Lamont - Oohert y
Geological Observato ry ( LOGO ). de l'U niver sité
d' Hawa ii (HIG) et de la Scripps In sti tuti on of
Oceanography (S IO), et des profils multitraces de la
campagne Me so pac ( fi g. 4). La corré lation entre
réflecteurs sismiques et li th ologie a é té établie grâce a ux
forages DS DP 169 et 462. Les corrélations antérieures à
la camp ag ne Me so pac (Wintcrer, Ewing et al ., 1973 ;
Wi ppe rman et al .• 1981) n' ont pu aborde r que la
stratigrap
hi e sismiq ue post-crétacée du bassin. Les
résultats de la campagne
Me sopac o nt pennis pour la
première
fois une interprétation de la st ru cture interne du
complexe volcan
iqu e. Les profils o nt été obtenus à panir
du N/O Jean Charcot
au moyen d'une chaîne multitrace
compo
sée d'un canon flexichoc 123 (deux cano ns
synchronisés ont été
mis en oe uv re lors du passage su r
l
es sites de fo ra ge), d'une flûte de 24 tra ces et d'un
laboratoire enregistreur Sercel SN 238 HR caractérisé
par une bande passante de 3Hz à 62Hz, un pas

ÉVÈNEMENTS VOLCANIQUES CRÉTACÉS DA NS LE PAC IFI QUE-OUEST
d'échantillonnage de 4ms ct un filtre pa sse-ha ut à 3,8 ou
12 Hz. Les données numé ri sées ont ens uit e été traitées
s
ur l' ordinateur Gould de l'lPG de Strasbourg au moyen
du logiciel SYSIS. Un traitement classique de base,
analyse de vitesses et addition de traccs, a tout d'abord
été appliqué. Ensuite, afin d'am élior er le signal en
profondeur, nous avons effectué une éga li satio n
dynamique et enfin
un filtrage en fréquences dont le but
consistait à faire apparaître avec plus d'intens
it é, par
contraste avec les séries séd
im en taires sus-jacentes, le
réflecteur marquant le toit du complexe volcanique et les
réflecteurs basse fréquence plus profonds.
--
_ ..... .... ,.......,..-
_ .. _ ... _ .... _ .. ,.
Figure 4
Plan de posilion de l' ensemble des profils sismiques (monotraces CI
multitraces) ulilisés dans celle élUde.
Localion of seismic profiles (simplc cllannct aoo muhiçllalmel) ulilisc:d
in Ihi s s lud y.
Nous avons établi dans un pre mi er temps des corrélations
entre les profils Mcsopac
et les forages 462 et 1 69 ( fi g. 5),
ainsi qu'entre l
es profils Mesopac et J'ensemble des
pr
of il s monotra ces disponibles. No us avons ensuite
repéré sur les profils Mesopac deux h
or izons marqueurs
nommés respectivement "chert" et "toit
du complexe
volcanique". id
entif iés précédemment par Winterer.
Ewing
et al. (1973) et Wippcnnan et al . (1981 ). Ensuite
nous avons analysé des faciès sismiques plus profonds
pour tenter un e int erprétation de la structure i nt erne du
complexe
vo lcaniqu e.
L'horizon "chert"
Les modèles cinématiques permettant de retracer l es
déplaceme nt s de la plaque Pa cifique, qu' il s soie nt fond és
sur J'an
alyse des traces de points chauds, ce ll e des
245
anomalie s m agné tiq u es ou encore celle d es f ac iès
sédimentair
es. montrent tous que ce lt e plaque s'est
déplacée, depuis le Crétacé inférieur, de l'hémisphère s ud
vcrs l'hémisphère nord (Morgan, 1972 ; Larson et Chase,
1972 ; Wimerer, 1973 ; Lancelol et Larson, 1975 ;
Lancelot,
19 78). Plu s récemmenl Lancelot, Larson et al.
(1990) ont montré que le mouvement de cene plaque
s'effectuait du nord vers
le sud au co ur s du Jurassique
supé
ri eur et du Crétacé basal. Ces déplaceme nt s ont été
marqués par des variations nctt
es dans la nature des
dépôts pélagiques.
En parti cu li er le pa ssage des fonds
océaniques sous
la zone équatoriale à haule productivité
biologique est enregistré par la présence d'accumulations
de
silice bio gène. Ces dépôts ont été transform és
diagénétiquement en "chen", roches dures capables de
produire un
ré fl ecteur sismique très visible sur l es
profil s. Ce ré flecteur qui résulte du passage de
différe nt es régions du Pacifique sous J'Equateur à des
âges différents est par nature diachronique (Lancelot et
Larson,
19 75; Lancelot, 1978 ).
Au si te
462 les co n ce ntr ations de s ilice les plu s
imponantes so
nt observées à 390 m sous le fond dans
des niveaux datés de l'Eocène inférieur. Cet horizon
corresp
ond sur les profils sismiques à un réflecteur
important s
itu é à 0,46 secondc (temps double), ( fi g. 5). 11
résulte d'une augmentation importante des vitesses de
propaga
ti on du son qui passe nt de 1.75 à 2,20 km /s. Au
s it e 169 ce réflecteur est observé à 0,1 seconde sous le
fond.
Le "Ioit du complexe volcanique"
Ewing et al. (1968), les premier s à é tudier la
stra ti graphie sismique du P aci fique nord, o nt décrit un e
co uche profonde co rr espo nd ant à la pénétratio n
maximale des ondes sismiques et composée d'une série
de forts ré
fl ecteurs parallèles. Plusieurs auteurs ont
ens
uit e analysé ce tt e structu re paniculière à laque ll e on
fait géné
ral eme nt référence dans la li ttérature so us les
noms d'''H
orizo n B" (Ewing el al., 1968), "co uche
pr
ofo nde opaque" (H eezen el al., 19 73), "co uche
réverbérante" (Houtz
et al., 1 970; Ho ut z ct Ludwi g,
1979). Su r l'ensemble des profils celle couche se
caractérise par un ensemble de ré fl ecteu rs parallèles
horizo
nt aux et de f or te amplitude, qui se dis ti nguent
n
ette ment de la zone sus-j acen l e, pra t ique ment
transparent e.
L ' a .~pec t li sse et horizontal de ce ll e couche réverbérante a
conduit la plupart des auteurs à reco
nn aître qu'elle ne
correspondait probablement pas
au sommet de la cro ût e
océanique (Ew
in g el al., 1968). H ou tz et Lud wig (1979)
ont montré qu'c
li c correspondait soit à des couches de
débri s volcaniq u es élal és au pied des é difi ces
volcaniques, soit à des sills ou encore à des turbidites
calcaires.
Le s résultats des forages OS OP 462 et 169
montrent
qu 'elle correspond dans les bassins profonds au
loit d'un complexe volca ni que crétacé.