Variations de température des fumeurs noirs et des zones diffuses du champ hydrothermal Lucky Strike

Thibaut Barreyre, Javier Escartin, Mathilde Cannat, Fabrice Fontaine et Christian Baillard

Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP)
Département de Géosciences Marines

L’activité hydrothermale le long de la dorsale Atlantique participe de façon importante à la déperdition de chaleur de la Terre et offre un environnement unique pour les écosystèmes sous-marins profonds. À l’heure actuelle, la quantification précise de la dynamique de la perte de chaleur par les sites hydrothermaux reste problématique.
Notre recherche se focalise sur le champ hydrothermal « Lucky Strike », l’un des plus actifs de la dorsale médio-Atlantique, situé à 37°17’ de latitude Nord, environ 300 km au sud-ouest des Açores. Ce champ hydrothermal est installé à 1700m de profondeur, au sommet d’un volcan formé de trois cônes entourant un ancien lac de lave large de 500m. L’activité hydrothermale à Lucky Strike s’étend sur une surface d’environ 1km2 et est caractérisée par des tapis bactériens au ras du sol, qui forment des taches blanches facilement repérables depuis un submersible. Ces tapis bactériens se forment près de sorties diffuses de fluides hydrothermaux de relativement basse température (T<100°C). Des sorties de fluide focalisées et de plus haute température (T>250°C), sont généralement présentes au coeur des sorties de fluides diffuses. On distingue ainsi un grand nombre de sites, de quelques mètres à quelques dizaines de mètres d’extension, associant fumeurs et sorties diffuses. Ces sites se répartissent dans quatre zones principales autour de l’ancien lac de lave : la zone nord (sites Sintra (SIN), Y3 (Y3), Statue de la Liberté), la zone nord-ouest (sites Jason, Bairro Alto, Elisabeth), la zone sud-ouest (sites Hélène, Nuno, White Castle (WC), Crystal (CRY), Pico) et la zone sud-est (Isabel (ISA), Tour Eiffel (TE), Roldan (ROL), Chimiste, Montsegur (MS)). Notre objectif est d’évaluer la variabilité temporelle et la dynamique de ces sorties hydrothermales (diffuses et fumeurs).






Fig1 : Carte bathymétrique du champ hydrothermal Lucky Strike. Les axes X et Y sont en coordonnées UTM (mètres). Les principaux sites hydrothermaux sont indiqués par leur initiale en lettres majuscules noires. Les sondes de température, installées entre 2006 et 2010, sont représentées par des carrés (enregistrement d’un an) et des triangles (enregistrement de quelques semaines) de couleur rouge (HT) ou bleu (BT). Les sondes installées en 2010 et 2011 ont été replacées au même endroit pour assurer une continuité dans les séries temporelles de données.



Notre étude s’inscrit dans le cadre du projet européen ESONET-EMSO dont l’un des objectifs est d’établir un observatoire fond de mer sur la dorsale médio-Atlantique (projet MoMAR ou Monitoring the Mid-Atlantic Ridge). Nous avons installé depuis l’été 2008 des sondes de températures autonomes dans des sorties de fluides réparties sur tout le champ hydrothermal, pour enregistrer les températures de ces fluides. La durée de ces enregistrements pouvant varier de quelques semaines (cadence d’échantillonnage de 10 sec), à une année complète avec une cadence d’échantillonnage de 90 sec à 24 minutes. (2009-2010 : 29 sondes installées; 2010-2011 : 16 sondes installées). Le suivi des températures est poursuivi en 2011 avec 28 instruments déployés dans la zone d’intérêt. Les données Haute Température (HT) sont obtenues avec des capteurs installés dans des fumeurs (250-330°C), tandis que les données Basse Température (BT) sont acquises avec des capteurs situés dans des fissures le long desquelles s’échappent des fluides mélangés à de l’eau de mer (20-80°C). Les conditions extrêmes en température et en pression (170bars), ainsi que l’acidité des fluides hydrothermaux, nous forcent à utiliser des sondes de température entièrement en titane.






Fig2 : Sonde de haute température installée dans un fumeur noir (340°C) au site South Crystal, dans la partie ouest du champ hydrothermal Lucky Strike.



Au cours de la période d’enregistrement, les évents de haute température affichent généralement une robuste stabilité temporelle (delta T < 10°C). Des variations plus importantes (variations ≥ 100°C) sont cependant parfois enregistrées et peuvent durer quelques jours à plusieurs semaines. Les diminutions de température sont interprétées comme liées à des arrivées de fluide froid (i.e. eau de mer) qui se mélange aux fluides hydrothermaux. Les augmentations de température, quant à elles, sont moins fréquentes et notre hypothèse de travail est qu’elles sont associées soit à l’ouverture de fractures en profondeur lors d’événements sismiques, soit à l’injection de magma près de la zone de réaction entre le fluide hydrothermal et la chambre magmatique du volcan de Lucky Strike.
Les sorties diffuses de plus basse température, dont l’origine est liée à une circulation complexe et à un mélange eau de mer-fluide hydrothermal dans la croûte superficielle (<quelques centaines de mètres), ont des températures plus variables. Bien que les processus à l’origine de ces variations restent controversés, la plupart de nos enregistrements de température montrent une périodicité temporelle semi-diurne corrélée avec la période des marées. Ce sont les petites variations périodiques de pressions (mesurées à l’aide de jauges de pression sur le sol océanique dans la zone d’étude) et de courants (mesurés avec des courantomètres) induits par les marées qui sont à l’origine de ce signal.
À terme, l’objectif est de comparer ces enregistrements de température aux données microsismiques de la zone afin de déterminer s’il existe ou non une relation entre les déformations crustales et les circulations hydrothermales.






Fig3 : Les deux boites du haut montrent les données HT et BT au site hydrothermal de Montségur. Les deux boîtes du bas montrent l‘amplitude des marées (cm) et la vitesse du courant (m/s) – données acquises par une jauge de pression et un courantomètre.



À côté de ce suivi temporel de la température des fluides, nous développons aussi une approche de quantification des surfaces de sorties de fluides diffuses, à partir de mosaïques photographiques du champ hydrothermal de Lucky Strike. Ainsi nous avons pu montrer que ces sorties couvrent plus de 2700 m2. Ces mosaïques, acquises sur plusieurs années consécutives, nous permettent aussi d’aborder la variabilité temporelle de la surface de ces zones diffuses. La tendance actuelle semble être à une décroissance de l’activité du champ.






Fig4 : Image mosaïque du site actif de Montsegur. L’échelle est donnée par la largeur de l’image qui est de 63 m. Les taches blanches correspondent à des zones recouvertes de tapis bactérien indiquant ainsi des zones diffuses de fluides hydrothermaux BT et donc facilement identifiables.