Géochimie / Geochemistry

Géologie, géochimie et géochronologie de l’îlede Bora Bora (Société, Polynésie française)

Sylvain Blaisa*, Gérard Guilleb, Hervé Guillouc, Catherine Chauveld, René C. Maurye, Martial Caroffe

a Géosciences Rennes, UMR 6118 CNRS, université de Rennes-1, av. du Général-Leclerc, 35042 Rennes cedex, Franceb CEA/DASE, BP 12, 91680 Bruyères-le-Chatel, Francec Laboratoire des sciences du climat et de l’environnement, laboratoire mixte CEA–CNRS, Domaine du CNRS, 91198 Gif-sur-Yvette, Franced LGCA, Maison des géosciences, 1381, rue de la Piscine, 38041 Grenoble, Francee UMR « Domaines océaniques », université de Bretagne occidentale, BP 809, 29285 Brest, France

Reçu le 12 septembre 2000 ; accepté le 9 octobre 2000

Présenté par Jean Dercourt

Abstract – Geology, geochemistry and geochronology of Bora Bora island (Societyislands, French Polynesia). Bora Bora island, located at the northwestern edge of theSociety archipelago represents the upper part of a shield volcano made up of a pile ofmeter-thick alkali basalt flows and rare hawaiites. The summit caldera (4.4 km in diam-eter) is still recognisable and a southwestern tilting of the volcanic edifice led to arelative uplift of the northern and eastern parts of the volcano. Bora Bora lavas derivefrom low partial melting degrees of an EMII mantle source the composition of which wasinfluenced by continental materials. The subaerial volcanic activity corresponding to thepresently emerged portion of the edifice took place between 3.45 and 3.10 Myr. Suchages are consistent with the formation of the island by being above the Society hot spotconsidered as fixed and a Pacific plate motion of 11 cm·yr–1. © 2000 Académie dessciences / Éditions scientifiques et médicales Elsevier SAS

intraplate oceanic volcanism / basalt / K–Ar geochronology / geochemistry / French Polynesia /South Pacific

Résumé – L’île de Bora Bora, située à l’extrémité nord-ouest de l’archipel de la Société(Polynésie française) est réduite à la partie sommitale d’un volcan-bouclier de composi-tion essentiellement basaltique. Les limites de la caldeira, dont le diamètre est d’environ4,4 km, sont parfaitement bien marquées ; un basculement de la partie sud-ouest de l’île asignificativement relevé les flancs septentrionaux et orientaux du volcan. Les laves deBora Bora sont des basaltes alcalins et des hawaiites dérivant de faibles degrés de fusionpartielle d’une source mantellique enrichie de type EMII, dont la composition a étéinfluencée par l’intégration de sédiments d’origine continentale. Les âges radiométriquesobtenus sur les laves aériennes actuellement émergées varient entre 3,45 et 3,10 Ma. Cesdonnées sont cohérentes avec un modèle de point chaud de la Société fixe et une vitessede dérive de la plaque Pacifique de 11 cm·an–1. © 2000 Académie des sciences / Éditionsscientifiques et médicales Elsevier SAS

volcanisme intraplaque océanique / basalte / géochronologie K–Ar / géochimie / Polynésie française /Pacifique sud

* Correspondance et tirés à part.Adresses e-mail : blais@univ-rennes1.fr (S. Blais), guille@dase.bruyeres.cea.fr (G. Guille), guillou@lsce.cnrs-gif.fr (H. Guillou),chauvel@ujf-grenoble.fr (C. Chauvel), maury@univ-brest.fr (R.C. Maury).

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C . R. A c a d . S c i. P a ris, S c i e n c e s d e l a Te rr e e t d e s p l a n è t e s / E a rt h a n d Pl a n e t a ry S c i e n c e s 331 (2000) 579–585© 2000 A c a d é m i e d e s s c i e n c e s / É d iti o ns s c i e n tifi q u e s e t m é d i c a l e s Els e v i e r S A S. To us d ro its r é s e rv é sS1251805000014567 / FL A

Abridged version

Bora Bora belongs to the Society chain in Polynesiaand is located some 420 km northwest of presentlyactive hotspot situated beneath Mehetia. The large sizeof the lagoon surrounding the volcanic edifice showsthat subsidence has been significant since formation ofthe island between 4.35 and 3.21 Myr. New field work(done in 1998 and 1999) led to a comprehensive sam-pling of volcanic products as well as the establishmentof a geological map (figure 1).

The main structural features are a rather well-preserved summit caldera and a tilting of the volcanicstructure towards the southwest. Four volcanic unitshave been distinguished: (i) meter-thick lava flows withan overwhelming alkali basalt composition; (ii) lavatubes that are generally found at the periphery of theisland; (iii) the Taimoo strombolian breccias that areabout 200 m thick and (iv) the Motu Toopua intrusivegabbro sheet. In addition, radial dykes and sills arefound all around the caldera.

Major and trace element composition of representa-tive samples is given in table I. All samples have analkaline affinity [14] and are strongly enriched in incom-

patible trace elements with negative Pb anomalies typi-cal of Ocean Island Basalts (figure 2). Their Sr and Pbisotopic compositions are shown in figure 3. They areconsistent with previous data reported by White andDuncan [19] and plot in the middle of the field definedby the whole archipelago island lavas. These isotopicfeatures are not dependent on the position of islandsalong the chain, suggesting that the sources of the vol-canics were highly heterogeneous and their composi-tion did not change regularly through time. Their varia-tions seem however correlated to changes in Ce/Pbratio (figure 4). This correlation supports a model inwhich the enriched signature that characterizes theSociety hotspot has its origin in the recycling of conti-nental crust material.

New K–Ar ages measured on a carefully selectedgroundmass constrain the age of the emerged portionof the island to between 3.45 and 3.10 Myr. This rangeis consistent with an origin from the hotspot presentlylocated below Mehetia and a speed of 11 cm·yr–1 forthe westward motion of the Pacific plate. In addition,these ages suggest that the aerial portion of Bora Borawas built at a rate of about 2 mm·yr–1.

1. IntroductionL’île de Bora Bora (Polynésie française), située à

300 km au nord-ouest de Tahiti, appartient à l’aligne-ment de la Société. Cet alignement, d’orientation géné-rale N120°, s’étend sur 800 km environ, depuis l’île deMehetia, située dans la zone du point chaud actif [2],au sud-est, jusqu’à l’atoll de Bellinghausen, au nord-ouest. L’édifice volcanique (figure 1) est séparé d’unecouronne corallienne externe, discontinue, de formegrossièrement pentagonale, par un lagon dont la largeur(2 km) témoigne d’une subsidence importante. La super-ficie de l’île est de 30 km2 et son sommet le plus élevé(Otemanu) atteint 727 m. Les premières données carto-graphiques obtenues par Deneufbourg [7] ont été com-plétées par Brousse et al. [4], qui ont publié uneesquisse géologique de l’île. Les âges K–Ar publiés, pourles laves aériennes actuellement émergées, sont comprisentre 4,35 et 3,21 Ma [8–10]. De nouvelles missions deterrain (1998 et 1999) nous ont permis d’effectuer unéchantillonnage systématique et de dresser la carte géo-logique de l’île (figure 1).

Bora Bora ne représente, à l’heure actuelle, que lapartie sommitale d’un volcan-bouclier édifié sur unecroûte océanique d’âge Crétacé (80 Ma environ [15]),largement érodé. La structure d’ensemble de l’île est dis-symétrique, en raison d’un relèvement des flancs nordet est du volcan, ce qui se traduit par des affleurementsplus importants des formations volcaniques et par laprésence d’une couronne corallienne plus large et prati-quement continue dans ces parties de l’île.

Le trait géomorphologique majeur de ce volcan océa-nique est la présence d’une caldeira centrée sur l’agglo-mération de Vaitape et dont les murs correspondent auxfalaises subverticales des reliefs de l’île principale(Pahia, Otemanu, Matapupu, Pahonu) et au Motu Too-pua, situé dans la partie sud-ouest du lagon. Le plan-cher de cette caldeira, de forme grossièrement circulaire(diamètre : 4,4 km), est actuellement immergé entre Vai-tape et le Motu Toopua, où il atteint des profondeurs del’ordre de 30 m. La structure volcanique d’ensemble estorganisée régulièrement autour de cette caldeira [4], lesdiverses coulées s’épanchant de façon centrifuge.Clouard et al. [5] ont récemment montré l’existenced’une anomalie de gravité positive centrée sur cette cal-deira (figure 1), qui reflèterait l’existence d’une chambremagmatique solidifiée sous-jacente [16].

2. Les formations géologiques

Quatre unités principales ont été reconnues à BoraBora.

1) Les coulées de laves d’épaisseur métrique ont étéémises lors de la phase majeure de l’édification de l’île.Elles sont parfois grossièrement prismées et séparées pardes épisodes bréchiques. Il s’agit principalement debasaltes alcalins, associés à de rares hawaiites, dont lateneur en néphéline normative est inférieure à 3 %(tableau I). Ces laves sont soit aphanitiques soit porphy-riques, avec dans ce cas des phénocristaux d’olivine,souvent iddingsitisés, des augites, des titanomagnétites

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associées à des microlites de plagioclase. Les rareshawaiites montrent, en plus, des phénocristaux de pla-gioclase. Les faciès basaltiques picritiques (couléesd’océanites, riches en phénocristaux d’olivine etd’augite) sont très rares. Une zéolitisation importantepeut exister au sein des vacuoles présentes dans cescoulées. Il n’a pas été trouvé à Bora Bora de laves alca-lines différenciées, comme dans les îles voisines deRaiatea [3] ou de Huahine.

2) Les coulées à tubes de lave sont souvent localiséesà la base observable de l’édifice actuel et constituent lesprincipales pointes de l’île. Elles peuvent être égalementinterstratifiées à l’intérieur de l’édifice volcanique. Par-fois de diamètre métrique, les tubes, de section arron-die, sont généralement évidés en leur cœur et ont par-fois été écrasés par des venues plus récentes. Il s’agit deroches à composition basaltique, très souvent vacuolai-res.

Océan Pacifique Océan Pacifique

Figure 1. Carte géologiqueschématique de Bora Bora. Lesnuméros se réfèrent aux analy-ses des tableaux I et II. A–B.Coupe interprétative sud-ouest–nord-est.

Figure 1. Geological sketchmap of Bora Bora. Numbersrefer to samples listed in table Iand II. A–B denotes the locationof simplified cross-sectionshown below.

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3) La formation pyroclastique de Taimoo, dontl’épaisseur dépasse 200 m, affleure à la Pointe Puhia. Ils’agit principalement de brèches scoriacées et de lapillishétérométriques stromboliens, dont les fragments angu-leux sont associés à de rares coulées de lave. Un niveaude cendres fines grossièrement litées, de 2 m d’épais-seur, est intercalé près du sommet de cette formation.

4) Les roches grenues se présentent sous la formed’une lame large de 30 à 50 m, affleurant dans la partieméridionale du Motu Toopua. Elles sont constituéesprincipalement d’olivine et d’augite, associées à degrandes lattes de plagioclase. Des cristaux de minérauxopaques, souvent squelettiques, et de rares apatitescomplètent la minéralogie. Cette lame gabbroïque,d’orientation radiaire, recoupant le mur de la caldeira,ne peut cependant pas être comparée aux massifs gre-nus affleurant au cœur de la caldeira de certaines îlesde l’archipel (Tahiti ou Raiatea [1, 3]).

Tout un ensemble de sills et de dykes, disposés radia-lement par rapport à la caldeira, recoupe ces diversesunités.

3. Géochimie

Les analyses des roches représentatives sont reportéesdans le tableau I. L’ensemble des laves et roches gre-nues se caractérise par une signature alcaline franche[14] et évolue depuis des basaltes relativement primitifs(BR 34) jusqu’à des compositions hawaiitiques (couléeBR 27 et intrusion grenue BR 31). Les basaltes de BoraBora montrent des enrichissements marqués en élé-ments incompatibles (figure 2) et des anomalies négati-ves en Pb, typiques des basaltes alcalins intra-océaniques [18], interprétés comme étant le résultat dedegrés faibles de fusion partielle d’une source mantelli-que enrichie.

Tableau I. Analyses chimiques de quelques laves représentatives de l’île de Bora Bora. Analyses par ICP–AES par J. Cotten, Brest. Écarts typesrelatifs voisins de 2 %.Table I. Major element analyses of selected lavas from Bora Bora island. ICP–AES analyses by J. Cotten, Brest. Relative standard deviationsof ca. 2 %.

Échantillon BR 24 BR 64 BR 34 BR 40 BR 43 BR 27 BR 31Gisement/localisation coulée sud coulée nord coulée Pahia coulée Pahia filon Pahia coulée sud intrusion Motu

Type Basalte Basalte Basalte Basalte Basalte Hawaiite Grenue

SiO2 46,20 47,50 45,80 46,00 46,80 47,70 46,80TiO2 2,96 3,30 2,53 3,85 3,21 3,34 3,33Al2O3 13,60 14,60 11,65 14,65 13,10 15,20 15,3Fe2O3 T 12,50 12,45 12,78 13,05 12,70 11,58 11,20MnO 0,16 0,16 0,17 0,18 0,17 0,16 0,15MgO 9,60 5,86 12,70 5,72 7,95 5,96 5,00CaO 9,40 10,15 8,80 11,22 11,10 9,20 10,60Na2O 3,06 2,84 2,11 2,94 2,25 3,20 3,35K2O 0,76 1,56 0,93 1,38 0,98 1,90 2,03P2O5 0,45 0,44 0,37 0,52 0,42 0,57 0,52Perte au feu 0,71 0,85 1,71 –0,09 1,23 0,92 1,78

Total 99,40 99,70 99,55 99,42 99,91 99,73 100,06néphéline 0,83 2,91 0,85 0,49olivine 19,18 10,20 20,14 9,54 8,62 11,90 23,15hypersthène 1,40 7,81 7,54D.I. 29,68 33,25 23,35 30,57 24,83 37,59 35,91mg# 64,15 51,97 69,84 50,53 61,18 54,52 49,03

Tableau II. Datations isotopiques 40K–40Ar sur les roches de Bora Bora. Les âges sont calculés selon les constantes de Steiger et Jäger [17],prenant en compte la moyenne d’au moins deux analyses indépendantes du potassium et de l’argon 40 radiogénique (Ar*).Table II. Groundmass 40K–40Ar isotopic data, corresponding to two independent analyses of K and Ar. Ages are calculated using decayconstants recommended by Steiger and Jäger [17].

Échantillons Typepétrographique

Gisement(altitude)

K% 40 Ar*% 40 Ar* Âge (Ma) ± 2 !(10–12 moles·g–1)

Coupe du PahiaBR 43 basalte filon (580 m) 1,081 ± 0,011 36,490 5,822 3,10 ± 0,05BR 40 basalte coulée (490 m) 1,274 ± 0,013 33,603 6,988 3,16 ± 0,05BR 34 basalte coulée (240 m) 0,921 ± 0,009 4,966 4,966 3,11 ± 0,05

BR 64 basalte coulée nord 1,317 ± 0,013 7,885 7,885 3,45 ± 0,07BR 24 basalte coulée sud 0,733 ± 0,007 4,083 4,083 3,21 ± 0,05

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Les données isotopiques (figure 3) sont comparables àcelles déjà publiées par White et Duncan [19] et confir-ment la nature enrichie (type EM II) de la région sourcedu point chaud de la Société. Les compositions isotopi-ques en Sr et en Pb des échantillons de Bora Bora sesituent dans le milieu du champ défini par les diversesîles de l’archipel de la Société et ne représentent pasl’une des compositions extrêmes. Ceci suggère que lacomposition isotopique de la source du point chaud dela Société n’a pas eu une évolution simple en fonctionde l’âge des îles le long de l’alignement. Les hétérogé-néités semblent donc ne pas être liées à une évolutiontemporelle de la source du point chaud.

De façon intéressante, les variations de compositionsisotopiques sont corrélées à des variations de rapports

d’éléments traces tels que le rapport Ce/Pb. Cette corré-lation (figure 4) relie un pôle mantellique à faible rap-port 87Sr/86Sr et fort rapport Ce/Pb à un pôle caractérisépar des valeurs 87Sr/86Sr élevées et des rapports Ce/Pbfaibles, caractéristiques de matériaux d’origine conti-nentale. Ceci confirme l’interprétation généralementadmise que la source de type EMII a une compositionfortement influencée par la réinjection de sédiments.

4. Géochronologie K–Ar

L’étude n’a porté que sur des roches dont les pertesau feu sont inférieures à 2 % et ne présentant pas ouque peu de traces d’altération, aussi bien microscopi-

Figure 2. Spectres multiéléments dequelques laves représentatives. Lesconcentrations des éléments sont norma-lisées à celles du manteau primitif deHofmann [12]. Analyses ICP–MS effec-tuées à Montpellier.

Figure 2. Spidergrams showing thetrace element contents of some repre-sentative lavas. Normalization values arefrom Hofmann [12]. ICP–MS analysesdone in Montpellier, France.

Figure 3. Diagramme isotopique (206Pb/204Pb enfonction de 87Sr/86Sr) montrant les hétérogénéités deslaves issues du point chaud de la Société, la positiondes données concernant Bora Bora et l’absenced’évolution systématique au cours du temps.

Figure 3. 87Sr/86Sr versus 206Pb/204Pb diagramshowing the variations observed among Bora Boradata and along the Society archipelago lavas. Nosystematic trend appears through time.

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quement que macroscopiquement, selon la techniqueanalytique décrite par Guillou et al. [11]

Quatre coulées de laves et un filon ont ainsi été datéset les résultats sont présentés dans le tableau II. Les âgessont compris entre 3,45 ±0,07 et 3,10 ± 0,05 Ma. L’âgele plus ancien (BR 64) correspond à une coulée d’épais-seur métrique localisée dans le Nord de l’île, alors que,dans la partie méridionale de Bora Bora, les couléessont plus jeunes de 240 000 ans environ (BR 24 :3,21 ± 0,05 Ma). La coupe du mont Pahia (620 m) a étééchantillonnée et datée. La coulée inférieure (BR 34 :240 m, 3,11 ± 0,05 Ma) et le filon sommital (BR 43 :580 m, 3,10 ± 0,05 Ma) ont des âges similaires, mettantainsi en évidence un taux d’édification de l’édifice vol-canique extrêmement rapide. L’âge de la coulée inter-médiaire (BR 40 : 490 m, 3,16 ± 0,05 Ma), légèrementplus ancien que celui des coulées sous et sus-jacentes,peut être interprété plutôt par un excès d’argon, dû à undégazage imparfait du magma avant sa cristallisation[6], que par une perte de potassium due aux effets del’altération.

La durée d’édification de la partie affleurante de l’îleest de 0,35 ± 0,12 Ma, soit trois fois inférieure à celledéduite des données précédemment publiées. Cettenouvelle estimation est cohérente, si l’on considère queles laves aériennes les plus anciennes du volcan sontactuellement immergées et qu’un volume non négligea-ble des produits aériens a été érodé. Au sein de l’archi-

pel de la Société, en prenant en compte une zone activefixe, un début de l’activité aérienne de Mehetia à 0,31Ma [13] et une vitesse de dérive de la plaque océaniqueconstante de l’ordre de 11 cm·an–1, le début de l’activitéaérienne à Bora Bora peut être estimé à 4 Ma.

5. Conclusions

Réduite à la partie sommitale d’un volcan-bouclier,l’essentiel de la partie observable de l’île de Bora Bora,fortement érodée, est constitué de basaltes alcalins. Iln’existe pas de laves différenciées dans cet édifice vol-canique, dont la mise en place s’est effectuée en un lapsde temps relativement court (0,35 Ma). La vitesse d’édi-fication est de l’ordre de 2 mm·an–1, vitesse moindreque celles calculées pour le volcan Taravao à Tahiti [13]ou Raiatea [3], où les estimations donnent des vitessesd’édification voisines de 4 mm·an–1. Pour Bora Bora, lecalcul correspond à une vitesse minimale, car l’altitudeactuelle sommitale de l’île (Otemanu, 727 m) est infé-rieure à celle du volcan initial, du fait de l’intense éro-sion.

Compte tenu de la distance de 420 km séparant BoraBora de la position actuelle du point chaud de laSociété, la fourchette d’âges obtenue correspond à unevitesse de dérive de la plaque Pacifique, de l’ordre de11 cm·an–1 par rapport à un panache mantellique sup-posé fixe.

Remerciements. Cartographie et échantillonnage ont été effectués en 1998 et 1999 avec l’aide du BRGM, du CEA/DASE, de GéosciencesRennes et du laboratoire de géophysique de Pamataï (Polynésie française). S.B. remercie Patrick Buchin pour son aide efficace sur le terrain.

Figure 4. Diagramme montrant la corrélation qui existeentre les variations du rapport Ce/Pb et celles du rapport87Sr/86Sr au sein des laves de Bora Bora et à l’échelle del’archipel de la Société.

Figure 4. Ce/Pb versus 87Sr/86Sr diagram showing howthese ratios are correlated both among Bora Bora lavasand along the Society archipelago lavas.

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