L'eau: accélérateur de magma

Voilà une observation qui a visiblement plus que surpris les géophysiciens qui l'ont faite: là où il y a le plus d'eau dans le manteau peut aussi être l'endroit où il y a le moins de magma!

Bon, dit comme ça, si vous n'avez pas suivi de cours de magmatologie, ça ne va rien vous dire du tout. Mais c'est pourtant un des points- clé de cette discipline, qui s'attache à retracer les :mécanismes qui produisent les magmas, puis qui leur permettent de remonter jusqu'à la surface ou de se stocker. La magmatologie nous
explique en effet que pour faire fondre le manteau* il faut:

- soit le chauffer et/ou

- faire baisser sa pression et/ou

- ajouter de l'eau.

Oui, vous avez bien lu: pour fabriquer du magma on peut ajouter de l'eau, qui agit comme un fondant. Certaines roches magmatiques/volcaniques en contiennent d'ailleurs jusqu'à plusieurs pourcents en poids.

En toute logique donc une zone du manteau dans laquelle s'injecte de grandes quantités d'eau doit fondre en assez grande quantité, et donc contenir beaucoup de magma.

Mais des géophysiciens de l'Université Washington de Saint Louis ont observé exactement le contraire dans le bassin de Lau**: là où le maximum d'eau s'injecte il y a le minimum de magma, et là où peu d’eau s'injecte, il y en a le plus! Vous comprendrez qu'il y a de quoi être...sans dessus-dessous, ça me parait le minimum.

Lau, c'est où?

Le Bassin de Lau est une vaste structure tectonique de forme triangulaire délimitée par les îles Fidji au nord-ouest, et l'ensemble des îles des Tonga*** à l'est. C'est un bassin actif: les forces tectoniques qui l'ont formé sont toujours à l’œuvre et il s'élargit toujours actuellement. C'est d'ailleurs une zone hautement sismique.

Il s'agit de ce que les géologues appellent un "bassin arrière-arc",  l'arc en question étant l'alignement légèrement courbe des îles Tongas, archipel pour partie volcanique et pour partie sédimentaire. Les volcans Tonguiens, comme les îles sédimentaires de l'archipel, et le bassin de Lau sont tous les fruits d'une importante subduction: celle de la plaque Pacifique sous le rebord Est de la plaque Australienne. C'est l'endroit du globe où la subduction est la plus rapide: jusqu'à 24cm par an!

Les études géologiques ont permis d'arriver à la conclusion qu'il y a environ 6 millions d'années cette plaque, qui plongeait avec un certain angle, a commencé à se "verticaliser". Cet événement à provoqué des mouvements du manteau qui se sont traduits en surface par d'importantes forces d'écartement. Elles ont lentement déchiré le bord de la plaque Australienne, créant le Bassin de Lau. Cette déchirure, un peu à l'image d'une fermeture éclaire, a commencé à l’extrémité nord du bassin et s'est progressivement prolongée vers le sud, où elle continue aujourd'hui ce qui confère au bassin de Lau une forme en V, la pointe étant au sud.

Localisation du Bassin de Lau et son contexte géologique. Images: Google Earth- Annotations: Culture Volcan

Lau est interessant pour les chercheurs qui tentent de comprendre comment le magma est produit puis transporté vers la surface dans les bassins arrière arc. Le magmatisme à l'air d'y être un peu "schizophrène" car il résulte simultanément de deux processus à priori opposés:

- le bassin nait d'un étirement et de fait une partie du magmatisme est similaire à ce qui se passe au niveau des rides médio-océaniques, où les plaques s'écartent, divergent.

- mais il est aussi la conséquence d'une zone de subduction, là où les plaquent se rapprochent, convergent, qui est aussi une source de magmatisme, bien distinct du premier.

Ce qui est vraiment intéressant à Lau c'est justement son ouverture en fermeture éclaire: grâce à elle les géologues peuvent espérer dissocier les deux sources de magmatisme aux extrémités du bassin.

A sa pointe sud l'écartement n'a quasiment pas commencé et ne peut avoir une grande influence par rapport à la subduction toute proche. A l'inverse, au nord du bassin, là où le "V" est ouvert, le magmatisme est plus éloigné de la subduction (d'autant plus que la plaque s'est verticalisée) et il devrait donc être essentiellement contrôlé par les forces d'étirement.

Le problème à Lau c'est l'eau: non mais allô quoi!


Les analyses faites sur les roches volcaniques récupérées aux deux extrémités du bassin montrent que les laves les plus au nord contiennent moins d'eau dans leur composition que celles de la pointe sud.
De cet constat découle une information: il y a plus d'eau qui s'infiltre dans le manteau à la pointe sud qu'au nord du bassin. Et c'est logique puisque la subduction est toute proche et que cette eau vient évidemment de l'océan Pacifique****.
Et s'il y a plus d'eau qui s'infiltre....il y a plus de magma qui est fabriqué! Logique.

Les géophysiciens de l'Université Washington de Saint Luis ont mené une vaste campagne sismologique et installé de 2009 à 2010 une cinquantaine de Sismomètres sur le plancher du bassin, et 17 autres sur les îles avoisinantes.  Puis ils ont enregistré les ondes de plus de 200 secousses et en ont tiré une image en 3 dimensions de la structure du manteau jusqu'à 50 km de profondeur. En effet les calculs de vitesses des ondes permettent de repérer les zones où, dans le manteau, elles ralentissent. Cette perte de vitesse, qui affecte plus particulièrement les ondes S ("Secondaires"), est réputé être le signe de la présence de zones plus ou moins fondues (magma), les ondes S ne traversant pas les liquides.

Or cette image 3D montre que la pointe sud, où il a les plus d'eau et donc la plus forte production de magma, est aussi celle où la vitesse des ondes S est la moins ralentie.... et c'est strictement le contraire de ce à quoi on peut s'attendre!

Imagerie des zones du manteau dans lesquelles les ondes sont ralenties. On voit que le plus fort ralentissement se trouve plutôt au nord du Bassin tandis que la pointe sud connait un ralentissement bien plus faible. Image extraite de l'article de S.Shaw Wei et al, Nature, février 2015.

Une découverte de ce type, contraire à toute logique apparente, est toujours l’occasion:

- de remettre en cause une théorie, ici la tectonique des plaques

- ou de l'améliorer, la préciser.

Les géophysiciens ont opté pour la seconde solution, leur découverte n'étant pas de nature a faire basculer un tectonique des plaques aujourd'hui puissamment argumentée. Ils ont donc dû réfléchir un bout de temps pour tenter de rendre logique ce qui apparemment ne l'est pas, pour rendre compatible ce qui à priori ne l'est pas. Ils ont du un peu se sentir se sentir comme les ingénieurs d'Appolo 13 en train de se demander comment faire rentrer un filtre carré dans un trou rond. Pourtant, au fond, la question est simple: qu'est-ce qui manque pour tout rendre compatible?

Les géophysiciens ont fini par trouver une réponse de prime abord satisfaisante mais qu'il faudra maintenant approfondir pour la tester et la valider, ou non: la pièce manquante du problème de Lau, c'est la viscosité.

En effet l'injection d'eau dans le manteau, par la subduction, ne fait pas que provoquer sa fusion: les magmas qui apparaissent alors en sont riches. Or l'eau est connu de longue date pour être un fluidifiant pour les magmas. Et un magma fluide a plus de facilité à se déplacer vers la surface: il se stocke moins longtemps dans le manteau et remonte donc plus vite (d'où le titre de ce post).

Dans la pointe sud le transit magmatique à travers le manteau est plus rapide: le stockage est moins performant. A un instant donné il existe moins de zones liquides (magma) d'où une vitesse des ondes S moins ralentie.
Dans la partie nord du bassin, où la subduction a moins d'effet, les magmas sont plus pauvres en eau et moins fluides: ils ont tendance à se stocker plus facilement. Ils forment des poches plus vastes, à même de ralentir plus efficacement les ondes S.

L'article en question est paru dans la revue Nature, début février sous le titre: "Seismic evidence of effects of water on melt transport in the Lau back-arc mantle", S. Shawn Wei et al.

*qui est solide je le rappelle: pas d'océan de magma sous nos pieds
** un nom prédestiné à une telle découverte?
*** où se sont déroulées récemment les éruptions du volcan sous-marin Monowaï (2014) et du volcan partiellement aérien Hunga Tonga-Hunga Ha'apai (2014-2015).
**** juste au cas où vous vous poseriez la question: l'eau en question a pénétré dans le manteau il y a plusieurs millions d'années.