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Le magmatisme en domaine océanique

Gaëlle Prouteau, ISTO

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I - Le magmatisme des dorsales océaniques

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La crête (ou l’axe) de la dorsale : une zone active

volcanisme et hydrothermalisme

tectonique

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Deux modes extrêmes d’expansion de la lithosphère océanique

Ecartement des plaques et apport de matériel magmatique nouveau

Extension amagmatique de

la lithosphère pré-existante

Magmatisme dominant

Tectonique dominante

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Comment connaît-on la structure de la croûte océanique et du manteau supérieur sous-jacent ?

� Ophiolites� Données sismiques (4 couches)� Forage (programme International IODP (International

Ocean Drilling Program)� Dragage des zones de fracture (Vema par ex)

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• Les ophiolites, lambeaux de lithosphère océanique obduitssur les continents…

L’ophiolite d’Oman

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Log schématique des ophiolites d’Oman

Moho sismique correspond à la limite entre gabbros et péridotites mantelliques

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• Tissu crustal continu, complexe filonien bien développé (> 1 km), couche gabbroïque de plusieurs km d'épaisseur, reposant sur un manteau supérieur harzburgitique)• Forages difficiles (504B - EPR- n'a pas atteint les gabbros).VOIR site 1256

10Filons de basalte dans un gabbro

Ophicalcites Plagiogranite

Pillows

Serpentinites

L’ophiolite du Chenaillet

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Coupes théoriques des ophiolites liguro-piémontaises

Laga

brie

lle, 2

003

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• Forages

� Puits le plus profond : 2111m (Site ODP 504B). 9 campagnes nécessaires pour

atteindre cette profondeur

� Leg 206, Site1256

Première tête de forage utilisée lors de la campagne. © 2003-2006 IODP-USIO

http://publications.iodp.org/preliminary_report/312/prel5.html#998480

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14Les courbes dérivées des modèles de Morgan et Chen (1993) sont extrapolées jusqu’à un taux d’expansion de 200 mm/an . Profondeur de pénétration dans les puits 504B and 1256D indiquée par des lignes verticales (modifié d’après Purdy et al., 1992; Carbotte et al., 1997).

MAR = Mid-Atlantic Ridge, EPR = East Pacific Rise, JdF = Juan de Fuca Ridge, Lau = Valu Fa Ridge in Lau Basin, CRR = Costa Rica Rift.

Variation de la profondeur de la zone de moindre vitesse des ondes sismiques (LVZ) en fonction du taux d’expansion océaniqueCette zone de ralentissement des ondes sismiques est considérée représenter la lentille de magma située au toit de la CM.

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Un échantillonnage continu de la partie supérieure de la CO est maintenant disponible…

Basalte à Ol, Cpx, Pl

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Dorsales lentes, étude d’une coupe au niveau des failles, exemple de la zone de fracture Kane …

ZF. Kane

Vema

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Dorsales lentes, étude d’une coupe au niveau des failles, exemple de la zone de fracture Kane …

ZF. Kane

Vema

���� un fait majeur à l’ axe des dorsales lentes :l’exhumation du manteau

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Dorsales lentes, étude d’une coupe au niveau des failles, exemple de la zone de fracture Kane …

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Dorsales lentes : croûte océanique discontinue, complexe filonien pas systématique, couche gabbroïque se résout àde multiples corps intrusifs km. Le manteau supérieur est lherzolitique. Définition du Moho sismique problématique .....

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Production magmatique au niveau des ridesCause de la fusion, genèse des magmas

Adiabat : chemin PT le long duquel le matériau mantellique remonte sans perdre de chaleurDiminution de T (1,8°C/kbar) liée essentiellement à l’expansion volumique pendant la décompressionDès que la fusion commence, la chute de température devient plus élevée (le liquide a une plus grande capacité calorifique que le solide)

Température mantellique potentielle = température qu’aurait la portion de manteau s’ il était remonté à la surface le long de l’adiabat (subsolidus)

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Rides � phénomènes passifs : remontée adiabatique du manteau en réponse à la séparation des plaques

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• Manteau source : manteau asthénosphérique

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• Modalités de la fusion- Fusion partielle des systèmes multiphasés naturels � fusion incongruente

Ex : fusion isobare dans le domaine de stabilité du spinelle :a Cpx+b Opx + c Sp = liquide + d Ol

- Fusion polybare

• Contrôle de la production magmatique au niveau des rides (taux de fusion)?– Température du manteau (Tp) – Composition du manteau– Vitesse d’expansion

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Niu et Hékinian, Nature, 1997

� Le taux de fusion augmente quand la vitesse d’accrétion augmente

- Abondance de Al diminuedans les liquides quand le taux de fusion F augmente

- Ca augmente quand F augmente. Donc Ca/Al augmente graduellement dans les liquides quand F augmente, jusqu’à disparition du Cpx (F> 25%) � bon indicateur du taux de fusion

Al8 : Al2O3 corrigé des effets de la CF (recalculé pour un MgO = 8%)b : échantillons provenant de segments de ride influencés par un point chaud exclus (Islande, Galapagos, Açores , Juan de Fuca)

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Température initiale de fusion (P0) identique (et donc Tp manteau identique) sous les rides lentes et rapides.Le flux de manteau sous l’axe est proportionnel à la vitesse d’expansion.Intervalle de fusion sera plus important dans le cas des dorsales rapides.

La croûte moyenne doit donc être plus épaisse dans le Pacifique que dans l’Atlantique ou l’océan indien…

Remontée rapide : adiabat remonte plus haut, s’opposant au refroidissement par conduction

Refroidissement conductif se prolonge àde plus grandes profondeurs…

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Table 13-2. Average Analyses and CIPW Norms of MORBs (BVTP Table 1.2.5.2)

Oxide (wt%) All MAR EPR IORSiO2 50.5 50.7 50.2 50.9TiO2 1.56 1.49 1.77 1.19Al2O3 15.3 15.6 14.9 15.2FeO* 10.5 9.85 11.3 10.3MgO 7.47 7.69 7.10 7.69CaO 11.5 11.4 11.4 11.8Na2O 2.62 2.66 2.66 2.32K2O 0.16 0.17 0.16 0.14P2O5 0.13 0.12 0.14 0.10Total 99.74 99.68 99.63 99.64

Normq 0.94 0.76 0.93 1.60or 0.95 1.0 0.95 0.83ab 22.17 22.51 22.51 19.64an 29.44 30.13 28.14 30.53di 21.62 20.84 22.5 22.38hy 17.19 17.32 16.53 18.62ol 0.0 0.0 0.0 0.0mt 4.44 4.34 4.74 3.90il 2.96 2.83 3.36 2.26ap 0.30 0.28 0.32 0.23All: Ave of glasses from Atlantic, Pacific and Indian Ocean ridges.

MAR: Ave. of MAR glasses. EPR: Ave. of EPR glasses.

IOR: Ave. of Indian Ocean ridge glasses.

Composition des magmas

•Magmas tholéiitiques

•Mg# ~ 60 : légère différenciation (magmas primitifs: Mg# ~70)

Forstérite

Enstatite

QuartzNéphéline

Diopside

Albite

Plan de saturation en silice

Plan critique de sous-saturation

en silice

29Composition de Composition de verresverresbasaltiquesbasaltiquesde la RMA. de la RMA. Stakes et al. (1984) Stakes et al. (1984) J. J. GeophysGeophys. Res., 89, 6995. Res., 89, 6995--7028.7028.

�� Tendances évolutives que l'onpeut expliquer par le fractionnementd'olivine, de plagioclase et peut-êtrede clinopyroxène

� Augmentation des teneurs en FeOlorsque MgO diminue (tendanceévolutive tholéiitique)

� Pas de séries (andésites, etc..., sauf Islande et Galapagos) �absence de stockage lithosphérique, réalimentation continue en magma primitif

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Spectre de REE, normaliséaux chondrites : matériau terrestre primordial(~ système solaire avant la différenciation planétaire)

MORB

LREE HREE

� Spectres de REE appauvris (MORB N)

Eléments en traces

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SPECTRE Résidu Solide= MANTEAU SUPERIEUR

FP à grande échelle dans les temps précoces de différenciation de la Terre

Manteau sup. actuel

LREE HREE

DREE<<1DLREE < DHREE

MORB

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• Anti-corrélation entre isotopes du Sr et ceux du Nd : alignement mantellique (mantlearay)

• Illustre le modèle d'appauvrissement du manteau qui conduit à une augmentation du rapport Sm/Nd et à une diminution du rapport Rb/Sr.

On peut décrire la composition des basaltes de rides à partir de deux pôles

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0,50640,5064

Rapport initial (Chondrites) 0,6990

Manteauprimitif0,51264

Manteauprimitif0,7048

Manteauappauvri0,51310

Manteauappauvri0,7025

Croûte continentale0,51

Croûte continentale0,72

4,5 4,5Temps Ga Temps Ga

0 0

143Nd/144Nd 87Sr/86Sr

Manteauprimitif

Manteauprimitif

Manteauappauvri

Manteauappauvri

Croûte continentale

Croûte continentale

4,5 4,5Temps Ga

147 143

143 144 143 144 147 144 t

Sm ---> Nd

Nd/ Nd = ( Nd/ Nd) + ( Sm/ Nd) e -1 0λ

87 87

87 86 87 t

Rb ---> Sr

Sr/ Sr = ( ) + ( Rb/ ) e -1 0λ87 86 86

Sr/ Sr Sr

Temps Ga

Sm/Nd Rb/Sr

0 0

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Variation de la profondeur de l'axe de la ride, du rapport d'éléments traces La/Sm normalisé à la composition du manteau primitif et des rapports isotopiques de Sr et Nd le long de la ride médio-Atlantique Nord.

Zones de fractures en lignespointillées : O (Oceanographer), H (Hayes), K (Kane), 15°20'N, M (Marathon - Mercurius).

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Epaisseur crustale en fonction d e la latitude , d’après une compilation de données sismiques acquises en Islande et en Atlantique Nord (de Foulger & Anderson, in press). Epaisseur crustale totale (données

sismiques et de gravimétrie) [Darbyshireet al., 2000].

Croûte épaisse de ~ 25-30 km avec au moins les 10 km supconstitués de coulées de laves

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Points chauds, panaches et volcans associés

� Magmatisme intraplaque océanique : Magmas des plateaux océaniques et des îles intra-océaniques

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Qu’est ce qu’un panache mantellique ?

• Les panaches sont des remontées diapiriques, A L’ETAT SOLIDE, de manteau profond, relativement peu dense (remonte du fait de sa flottabilité)

• Ils se manifestent en surface par des anomalies thermiques (« points chauds » ) et topographiques (soulèvement de la lithosphère)

Dans les bassins océaniques, les points chauds sont caractérisés par des bombements topographiques de 500 à 1000m de haut et de 1000 à 2000 km de large (e.g. Pacifique Sud 600 m, 2000 km), et très souvent par un flux de chaleur élevé � expression de l’ascension du panache mantellique chaud

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• Envisagés par Wilson en 1963, suite à la découverte d’alignement d’îles dont l’âge évolue le long de la chaîne

• Morgan en 1971, propose que la fusion de la tête des panaches produise trappset plateaux océaniques, la fusion de la queue des panaches produirait les chaînes volcaniques

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Observation de l’extension des épanchements des basaltes de trapps� la tête d’un panache peut atteindre des diamètres de 500 à 3000 km (Hill et al., 1992). � diamètre de la queue des panaches de l’ordre de 100-200 km.

Résultats d’expériences analogiques de dynamique de fluidesD’après Griffiths and Campbell, 1990Tête et queue de panache A) à mi-parcours de l’ascensionet B) aplatissement de la tête en fin de remontée

D’après Griffiths and Campbell, 1990

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Parana, Etendeka, 120 Ma2000*2000 kmPrécurseurs de l'ouverture de l'Atlantique Sud

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Cause de la fusion …

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Plateaux océaniques

Trapps et plateaux océaniquesIn Winter, 2001

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Surface (km2)

Volume (km3)

Age (Ma)

OntongJava

2.106 36.106 121-124

Kerguelen 2.106 20.106 110-114

Caraïbe 800 000 (avant sa dispersion)

107-111

Manihiki 650 000 107-111

Nauru 360 000 127-131

• Reliefs qui dominent les plaines abyssales de 2500 à3000 m• Sont apparus à proximitéd’une dorsale active (faible contraste d’âge avec substratum)• Sismique: épaisseurs crustales > 20 km• Formation très rapide (en quelques Ma ) au Crétacé Inférieur

• Certains plateaux ont été le siège d'une activité volcanique plus tardive, peut-être de type point chaud ; elle a duré jusqu'à 90 Ma au niveau d'Ontong Java et du plateau Caraïbe, 75 Ma à Nauru, et jusqu'au IV aux Kerguelen.

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� Basaltes tholéiitiques ; faciès picritiques fréquents

� Laves à spectres appauvris, plats ou enrichis

� En général : enrichissement relatif en Rb, Ba, K, Th, LREE

� Rapports 87Sr/86Sr élevés

F et T élevés, signature hétérogène� origine liée à des panaches profonds…

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Îles océaniques

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Les archipels de Polynésie Française

• Pacifique Sud : activité volcanique ininterrompue depuis 40 Ma • CO Crétacé Sup-Oligocène; Le plancher présente un vaste bombement causé par

la poussée d'un superpanache ancré profondément dans le manteau terrestre.

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D’après Wilson (1989) Igneous Petrogenesis.

Composition des OIB

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Composition des OIB

KeikikeaHawaï

Ko

KIML

MK

KeLo

H

M

Maui

Kahoolawe

Lanai

Molokai

Oahu

KauaiNiihau

K

Ha

WI

EMWMKu

W

Ki

N

160°W 158 156 154

22°N

21°

20°

19°

18°

80 km

Volcan Age (Ma)

Niihau (N) 5,6Kauai (Ki) 5,25Waianae (W) 4,0Koolau (Ku) 2,8W Molokai (WM) 2,1E Molokai (EM) 1,9W Maui (WI) 1,8Lanai (L) 1,6Haleakala (Ha) 1,4Kahoolawe (K)Mahukona (M) 1,1Kohala (Ko) 0,8Hualalai (H) 0,75Mauna Kea (MK) 0,65Mauna Loa (ML) 0,4Kilauea (KI) 0,25Loihi (Lo) 0

?

Age : Début de l’édification du bouclierKeikikea (Ke), supposé émerger dans le futur

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Composition des OIB

- Séries tholéiitiques(dominantes) et alcalines. Les termes basaltiques prédominent.

- Les roches tholéiitiquesconstituent le "stade bouclier"; les termes alcalins : premiers stades ou stades tardifs du développement des volcans

- - Parfois roches très sous-saturées en SiO2, saturées en néphéline : néphélinites, souvent très tardives.

Basalte alcalin : [Ne] < 5%Basanite : [Ne] > 5%, feldspathoïdes exprimésNéphélinite : [Ne] > 5% et [Lc] ,feldspathoïdes exprimés

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Hawaii : Les laves des stades précoces, boucliers et tardifs n'ont pas la mêmecomposition isotopique

Stade pré-bouclier : Faible taux de fusion de manteau asthénosphérique appauvri entraîné par le panache ascendant.

Tholéiites des stades boucliers : fort taux de fusion d'un manteau enrichi, mélangé à du manteau lithosphérique appauvri

Magmas alcalins des stades tardifs : faible taux de fusion d'un manteau appauvri, peut-être manteau lithosphérique métasomatisé

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Evolution temporelle du magmatisme

• Racines profondes des volcans ne sont pas exposées →composition des premiers magmas émis mal connue Etude des édifices récents (par exemple Mehetia, Société; Loihi, Hawaï) : suggère que les premiers stades pré-boucliers sont marqués par l'émission de basaltes alcalins

• Phase ultérieure : croissance très rapide, d'abord sous-marine puis aérienne du bouclier volcanique (vitesse de croissance moyenne : 1 cm/an) → basaltes tholéiitiques

• Phase post-bouclier (après caldeira souvent) : déclin de l'activité volcanique (1mm/an) , activité épisodique, violente →magmatisme alcalin

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Un modèle ….Au centre du panache, taux de fusion élevés (tholéiites).

F diminue vers la périphérie � production de basaltes alcalins, puis néphélinites.

Wylllie, 1988

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Canaries : lithosphère épaisse, faible décompression du panache, faible taux de fusion. Les tholéiites sont rares

Islande : lithosphère très mince, taux de fusion du panache important, beaucoup de tholéiites

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Mais....

• Pas de tholéiites dans l'archipel de la Société, même au niveau des grands boucliers (Tahiti Nui, Raiatea)

• Pitcairn exclusivement alcalin et Gambier, exclusivement tholéiitique

• Atolls de Mururoa et Fangatofa : respectivement alcalin et tholéiitique + alcalin

• Hawaï et Réunion : surtout tholéiitique

• Canaries, Açores, Ascension, Tristan Da Cunha, Gough : surtout alcalin

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Chondrites

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Compositions isotopiques des magmas des îles intra-océaniques- Les pôles mantelliques

EM II

EM I

DMM

HIMUPitcairn

EPR

Société

Marquises

Rurutu Tubuai Mangaia

Rapa

Rarotonga

0,707

0,706

0,705

0,704

0,703

0,702

8786

Sr/

Sr

17 18 19 20 21 2216206 204

Pb/ Pb

� Les isotopes de Sr, Nd et Pb indiquent que ces magmas dérivent de quatre pôles mantelliques (au moins) :

- DMM : manteau appauvri identique à celui qui constitue la source des MORB ;

- EM I : manteau enrichi ayant assimilé des sédiments pélagiques;

- EM II : manteau enrichi ayant assimilé des sédiments détritiques ;

- HIMU : manteau ayant assimiléde la croûte océanique fortement hydrothermalisée.

� Ces assimilations sont anciennes (1 à 2 Ga).

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Origine des panaches ?

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Identification des "deepplumes" , selon Courtillot et al. 20035 critères :1-Alignement de volcans avec progression des âges2- Trapps en début de fonctionnement3- Flux de matière élevé (> 103 kg.s-1) → implique une anomalie topo, un bombement4 - 3He/4He élevé5 - Faibles vitesses des ondes S au niveau de la zone de transition (500 km), sous la surface

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Modèle tomographique Vs deRitsema et al, 1999

67Bijwaard et Spakman, 1999, LVA jusqu’à CMB

Anomalie de vitesse identifiée jusqu'à 670 km

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Bathymetry of the north Atlantic region. The thick lines indicate faults of the Caledonian suture (Soperet al. 1992). The thick dashed line indicates the inferred overall trend of the suture where it crosses the Atlantic ocean (Bott 1987). Circles indicate the hypothesized locations of an Icelandic mantleplume at the times indicated, which are in millions of years (Lawver and Muller 1994).

Foulger et al., 2004

Islande et la province N Atlantique se sontformées au niveau de la suture Calédonienne (fermeture Iapetus, 400 Ma)

Cf : http://www.mantleplumes.org

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Tomographie sismique : désaccords, suite….

Tahiti/Cook

300

650

1000

1450

1900

2350

2800

HawaiiIceland

Montelli et al., 2004

70Ritsema and Allen, 2002

71Ritsema and Allen, 2002

RA2002 M2004 Afar oui nonBowie oui nonHawaii oui nonIceland oui nonReunion non nonTristan non nonLouisville oui nonSamoa oui nonTahiti non ouiAscension non ouiAzores non ouiCanary non ouiEaster oui ouiYellowstone non non

Panache provenant du manteau inférieur (D'')

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(a) Panaches primaires, provenant du manteau inférieur (D’’)

(b) Panaches secondaires, prenant naissance au sommet des superbombements(superswells)

(c) Panaches prenant naissance dans le manteau supérieur (‘’andersonien ’’)

Les panaches pourraient avoir trois origines distinctes :

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Mobilité des points chauds ?

• Points chauds fixes…

• John Tarduno et son équipe estiment (arguments chronologiques et paléomagnétiques ) qu’il existe une dérive propre du point chaud de Hawaï dans le sens opposé au mouvement de la plaque Pacifique…

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Conclusion

Sédiments déshydratés Croûte océanique déshydratée

DMM

Genèse des MORB

Iles océaniquesCroûte continentale