Point Chauds-Cycle de Wilson Points Chauds

Point Chauds-Cycle de Wilson
Points Chauds
L’activit´e volcanique `a l’int´erieur des plaques est anormale du point de vue de la
tectonique des plaques. J. Tuzo Wilson [1963] avait remarqu´e que les iles Hawaii, form´ees par
des volcans actifs aujourd’hui, faisaient partie d’une chaine rectiligne d’iles volcaniques qui se
prolonge vers le Nord Ouest du Pacifique.
Figure 1. La chaine de Hawaii dans l’oc´ean Pacifique
Tuzo Wilson avait sugg´er´e que cette activit´e volcanique intraplaque est caus´ee par la
pr´esence de panaches (plumes) chauds provenant du manteau inf´erieur et qui p´en`etrent la
lithosph`ere. Si ces points chauds sont fixes dans le manteau, ils fournissent un syst`eme de
r´ef´erence pour mesurer le mouvement des plaques par rapport au manteau. Ainsi, la chaine
des volcans d’Hawaii a enregistr´e le mouvement de la plaque Pacifique par rapport `a un
point chaud fixe. A partir d’Hawaii, la trace du point chaud se prolonge vers le WNW puis
tourne soudainement vers le Nord. Les iles volcaniques `a hauteur du Kamchatka ont un
ˆage de 80Ma. Les iles `a hauteur de la cassure ont un ˆage de 45 Ma. Il semble donc que la
plaque Pacifique se dirigeait vers le Nord jusqu’`a 45 Ma et qu’elle a chang´e de direction. Ce
changement correspond `a une r´eorganisation globale du mouvement des plaques. Apparement,
cette r´eorganisation s’est faite tr`es rapidement.
Par la suite, W.Jason Morgan [1972] a sugg´er´e que la convection dans le manteau se fait
`a travers ces panaches qui transportent la chaleur depuis le manteau inf´erieur jusqu’`a la base
de la lithosph`ere.

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Figure 2. La trace des points chauds
Points chauds actifs
On a r´epertori´e une centaine de points chauds actifs aujourd’hui. Les plus importants
sont Hawaii, l’Islande, les iles de la R´eunion, les Afars. A l’int´erieur de l’Am´erique du Nord,
Yellowstone est un point chaud. Les points chauds sont plus fr´equents dans les oc´eans que
dans les continents. L’Afrique o`u il y a de nombreux points chauds fait exception. Parce que
la croˆute oc´eanique est recycl´ee, il y a peu de traces de points chauds au del`a de 200Ma. Les
Mont´er´egiennes au Quebec et en Nouvelle Angleterre sont la trace d’un point chaud. Les
essaims de dykes du McKenzie (McKenzie dykes swarm) qui partent de l’embouchure de la
rivi`ere McKenzie et traversent le bouclier canadien jusqu’au sud de la baie d’Hudson sont
probablement dus `a l’action d’un point chaud `a 1,200Ma.
La lithosph`ere continentale est suppos´ee ˆetre trop ´epaisse pour permettre `a un point
chaud de percer, sauf si le continent est immobile, ce qui est le cas du continent africain. Il
faut noter que le volcanisme du point chaud de Hawaii perce la plaque Pacifique bien que
celle-ci se d´eplace tr`es rapidement.

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Figure 3. Les principaux points chauds
Fixit´e des points chauds
L’hypoth`ese que les points chauds sont fixes dans le manteau suppose que leur mouvement
relatif est nul. Cela peut ˆetre v´erifi´e en comparant les traces des points chauds. Il semble
que cela soit approximativement vrai jusqu’`a 120 Ma. Dans ce cas, les points chauds fixes
forment un syst`eme de r´ef´erence pour mesurer le mouvement absolu des plaques. Minster &
Jordan [1978] ont ainsi d´etermin´e le mouvement absolu de toutes les plaques dans un syst`eme
de r´ef´erence o`u les points chauds sont fixes. Argus & Gordon [1991] ont montr´e que ce syt`eme
de r´ef´erence des points chauds est diff´erent du syst`eme dans lequel la r´esultante de toutes les
rotations est nulle. Ceci implique que l’ensemble des plaques se d´eplace l´eg`erement vers l’ouest
par rapport au manteau. Ce d´eplacement est peut-ˆetre caus´e par l’orientation dominante des
zones de subduction qui tirent les plaques vers l’ouest.
Application: Ouverture de l’Atlantique
L’ouverture de l’oc´ean Atlantique a ´et´e pr´ec´ed´ee par une intense activit´e de points chauds.
Les traces des points chauds peuvent ˆetre utilis´ees pour reconstruire le mouvement des plaques.
Les r´esultats sont compatibles avec les anomalies magn´etiques marines [Morgan, 1983].
Il faut remarquer que la trace d’un point chaud est parfois discontinue `a travers un oc´ean.
Si une dorsale passe au dessus du point chaud `a un temps T, il y aura ensuite formation
de plancher oc´eanique de part et d’autre de la dorsale. Ce plancher qui s’est form´e apr`es le
passage du point chaud n’enregistrera pas sa trace. Ceci d´emontre aussi que les dorsales ne
sont pas fixes.
Cycle de Wilson
J. Tuzo Wilson avait propos´e que la formation des Appalaches ´etait le r´esultat d’un cycle
d’ouverture et de fermeture du proto-oc´ean atlantique, Iapetus. C’´etait la premi`ere v´eritable
application de la tectonique des plaques `a la g´eologie. Cela impliquait aussi que la tectonique
des plaques avait fonctionn´e pendant une grande partie de l’histoire de la Terre et que la
formation de super-continents et l’ouverture de bassins oc´eaniques font partie de cycles qui se
reproduisent. On a donn´e le nom de cycle de Wilson au cycle d’ouverture et fermeture d’un
bassin oc´eanique.
Le cycle de Wilson, qui place l’orog´en`ese dans le cadre de la tectonique des plaques,

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comprend les ´etapes suivantes:
•Formation d’un rift intracontinental. Il y a extension de la croˆute continentale, formation
d’un graben et activit´e volcanique. Aujourd’hui le rift est-africain et le rift du Rio
Grande en sont des exemples. L’ouverture d’un bassin oc´eanique ne suit pas toujours
la formation du rift intracontinental. Il existe de nombreux exemples de rifts avort´es `a
l’int´erieur des continents (graben du St-Laurent, rift de Keeweenawan).
•D´ebut d’ouverture d’un oc´ean. A ce stade, il y a formation de croˆute oc´eanique `a partir
d’un rift central. La Mer Rouge est un exemple de bassin oc´eanique en formation.
•Evolution d’un bassin oc´eanique. Le plancher oc´eanique continue de se former `a partir
de la dorsale. les marges continentales, dont la croˆute a ´et´e amincie, s’enfoncent et
permettent l’accumulation des s´ediments. Les marges continentales jouent le rˆole des
g´eosynclinaux. Cette situation correspond `a celle de l’oc´ean Atlantique.
•Initiation de la subduction et destruction du plancher oc´eanique. Formation d’iles en
arc par subduction oc´ean-oc´ean. Subduction oc´ean-continent et formation de marges
continentales actives. L’oc´ean Pacifique contient tous ces ´el´ements.
•Fermeture d’un oc´ean avec collision continentale. L’exemple est la collision de l’Inde
avec l’Asie qui forme l’Himalaya.
Ce r´esum´e tr`es simplifi´e ne rendaient ´evidement pas compte de tous les ph´enom`enes. Par
ailleurs, certaines ´etapes du cycle peuvent manquer. Mais le cycle de Wilson met la plupart
des ph´enom`enes g´eologiques dans un contexte global.
References1
Argus, D.F., & R.J. Gordon (1991). No-net rotation model of current plate velocities
incorporating plate motion models. Geophys. Res. Lett., 18, 2038-2042.
Gordon, R.G. (1995). Present day plate motion. in Global Earth Physics. A hanbook of
Physical constants. vol 1 edited by T.J. Ahrens. pp. 66-87. AGU. Washington (DC).
Minster, J.B., and Jordan, T.H. (1978). Present day plate motion. J. Geophys. Res.,83.
5331-5354.
Morgan, W.J. (1972). Plate motion and deep mantle convection. Geol. Soc. Amer. Mem.,
132. 7-22.
Morgan, W.J. (1983). Hotspot tracks and the early rifting of the Atlantic. Tectonophys.,94.
123-139.
Wilson, J.T. (1963). Evidence from islands on the spreading of the sea floor. Nature,197,
536-538.
Wilson, J.T. (1966). Did the Atlantic close and then reopen? Nature,211, 676-681.
Wilson, J.T. (1973). Mantle plumes and plates motion. Tectonophys.,19, 149-164.
Articles de Scientific American
Burke, K.C., and Wilson, J.T. (1976) Hotspots on the Earth’s surface. Sci. Am.,235, August
1976, 46-57.
Dietsz, R.S. (1972). Geosynclines, Mountains and continents building. Sci. Am. March 1972.

Sismologie et tectonique des plaques 5
Sismologie et tectonique des plaques
Les fronti`eres de plaque, o`u se concentre toute l’activit´e tectonique, sont d´efinies par
l’activit´e sismique. La nature de cette activit´e permet de d´eterminer le mouvement relatif des
plaques. Avec les ondes sismiques, il est possible de d´eterminer le mouvement des failles et
d’en d´eduire le mouvement relatif de deux plaques.
Observations des tremblements de Terre
Rappel: Ondes sismiques: ondes P, S, ondes de surface. Les ondes sismiques produites
par les tremblements de terre sont observ´ees `a l’aide de sismographes qui enregistrent les
acc´el´erations du sol. Les observatoires enregistrent les trois composantes de l’acc´el´eration (en
g´en´eral dans deux gammes de fr´equences: courtes p´eriodes ≈1s, longues p´eriodes ≈40s) La
diff´erence des temps d’arriv´ee entre les ondes P et S permet de d´eterminer la distance du
tremblement de Terre. Avec suffisament d’observations, on peut localiser le foyer. Le foyer
d´esigne le point pr´ecis o`u a eu lieu le tremblement de terre. L’´epicentre d´esigne sa projection
`a la surface.
Pour quantifier les tremblements de terre, on utilise la magnitude (´echelle de Richter).
Il s’agit d’une ´echelle logarithmique qui mesure l’amplitude du mouvement vertical du
sol enregistr´e lors du passage d’une onde de fr´equence donn´ee `a une certaine distance de
l’´epicentre. Il y a plusieurs d´efinitions de la magnitude d´ependant de l’onde choisie. L’´energie
du tremblement de terre est li´ee `a l’amplitude. Empiriquement, on a constat´e que l’´energie
´etait multipli´ee par 30 quand la magnitude augmentait d’une unit´e. 1La relation entre
l’´energie Eset la magnitude Msest donn´ee par une relation de Gutenberg-Richter:
Log10Es= 1.5Ms+ 4.8 (1)
Dans cette relation, l’´energie est calcul´ee en Joules. Un tremblement de Terre de magnitude
8.5 lib`ere une ´energie >1017 J. l’´energie totale lib´er´ee par toute l’activit´e sismique mondiale
est de l’ordre de >1018J/a.
Les sismologues utilisent maintenant la notion de moment d’un tremblement de terre
qui d´epend du d´eplacement de la faille et de la surface totale de la zone de rupture (voir
Appendice). Le moment se mesure en N m.
Sismicit´e et d´efinition des fronti`eres de plaques
La distribution g´eographique des tremblements de terre suit un patron bien d´efini. Les
fronti`eres de plaque peuvent ainsi ˆetre d´efinies `a partir des ´epicentres des s´eismes.
1Th´eoriquement, l’energie est proportionnelle au carr´e de l’amplitude et le facteur devrait
ˆetre 100 au lieu de 30.