Le stratovolcan des Sept Cités ( Sete Cidades , Açores) : anatomie et composition interne

Pierre Thomas

ENS Lyon - Laboratoire de Géologie de Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

31/03/2014

Résumé

Coulées, pyroclastites, dômes, dykes... Observation en coupe du stratovolcan des Sept Cités, île de Sao Miguel, Açores (Portugal).


Figure 1. Les falaises Ouest-Nord-Ouest du stratovolcan des Sept Cités ( Sete Cidades ) vues depuis la Ponta do Escalvado , île de Sao Miguel, Açores (Portugal)

Ces falaises mesurent entre 150 et 200 m de hauteur. Les petits points noirs dans la prairie sommitale, à droite, donnent l'échelle : ce sont des vaches. Ces falaises sont constituées d'un empilement de couches ou strates, d'où le nom de "stratovolcan" donné à ce type d'édifice. Outre ces "couches", cette falaise montre un dôme et un dyke, ainsi que quelques failles probables.


Le volcan des Sept Cités sur l'île de Sao Miguel (Açores) est l'un des trois stratovolcans avec caldeira de cette île. Ce volcan, très récent, est très peu entaillé par des vallées. Les remparts de sa caldeira sont très végétalisés, et il est difficile d'étudier sa structure interne. Heureusement, l'érosion marine y taille de belles falaises de 100 à 200 m de hauteur, qui permettent de voir la structure des 200 mètres les plus superficiels. Les falaises étudiées ici se situent à l'extrême Ouest de l'île. Les photos ont été prises depuis la Ponta do Escalvado (Pointe des Esclaves).

Au moins 5 types de "roches" et/ou structures peuvent être distingués dans la falaise. Mais attention, l'interprétation proposée ci-dessous a été faite aux jumelles (également appelées « marteau suisse ») et est donc à prendre avec réserve.

  • La partie inférieure de la coupe semble constituée de hyaloclastites palagonitisées, ou du moins des dépôts phréato-magmatiques (la différence n'est pas facile à faire vu de loin), de couleur beige à ocre orangée, stratifiées. Résultat d'éruptions volcaniques ayant lieu soit sous une faible tranche d'eau (éruptions dite surtseyennes), soit dans un terrain gorgé d'eau (éruptions dites phréato-magmatiques). La semaine prochaine sera entièrement consacrée à ce niveau.
  • Des coulées basiques (CB), très vraisemblablement basaltiques, dont le nombre varie d'un bout à l'autre de la coupe.
  • Des pyroclastites acides (PA), vraisemblablement trachytiques, mises en place lors de phases pliniennes ou péléennes du volcan (cf. Les ponces phonolithiques de Santo Antão, Cap-Vert ). On peut distinguer au moins cinq de ces niveaux clairs (notés PA 1 à PA 5 sur la vue interprétée).
  • Un dôme fait d'une lave assez claire (probablement un trachyte) qui semble recouper les hyaloclastites mais être recouvert de la nappe de ponces PA 3.
  • Un dyke sombre (vraisemblablement basaltique).
  • Des pyroclastites sombres, noires ou rouges, non indexées sur la figure interprétée et situées entre les nappes de ponces et les coulées basaltiques.

Hyaloclastites, pyroclastites acides et basiques, coulées basaltiques forment un empilement de "strates", d'où le nom de « stratovolcan » donné à ce genre d'édifice. Ces strates sont injectées et/ou percées de filons et intrusions divers. La coexistence dans un même volcan de niveaux clairs (trachytiques) et sombre (basaltiques) montre que la notion de volcan rouge et volcan gris est à prendre avec réserve. Il serait préférable de parler d'éruptions rouges et d'éruptions grises.

Figure 2. Image interprétée des falaises Ouest-Nord-Ouest du stratovolcan des Sept Cités

Ces falaises mesurent entre 150 et 200 m de hauteur. Les petits points noirs dans la prairie sommitale, à droite, donnent l'échelle : ce sont des vaches. Ces falaises sont constituées d'un empilement de couches ou strates, d'où le nom de "stratovolcan" donné à ce type d'édifice. Outre ces "couches", cette falaise montre un dôme et un dyke, ainsi que quelques failles probables.

L'interprétation proposée a été faite aux jumelles (ou « marteau suisse ») et est donc à prendre avec réserve. PA = pyroclastites acides (nappes de ponces). CB = coulées basiques.


Figure 3. Vue générale de la côte Ouest-Nord-Ouest de l'île de Sao Miguel et des falaises détaillées dans cet article

La ville à l'arrière-plan est la ville de Mosteiros, dominée par un probable dôme de trachyte culminant à 359 m.

Les figures ci-dessous sont des détails de cette falaise (la même que ci-dessus).


Figure 4. Détail de la partie sommitale de la falaise ONO de l'île de Sao Miguel (Açores)

Deux niveaux de ponces claire sont bien visibles en haut et en bas de l'image, ainsi qu'un possible troisième niveau au centre de l'image. Ces niveaux de ponces reposent sur des coulées ou des cendres basaltiques. Le niveau de ponce inférieur mesure une dizaine de mètres d'épaisseur ; le niveau supérieur, qui forme le haut de la falaise et sur lequel paissent des vaches (les petits points noirs et blancs en haut à droite) mesure une vingtaine de mètres d'épaisseur. Il est lui-même constitué de différents niveaux plus ou moins clairs. Ces vingt derniers mètres sommitaux correspondent vraisemblablement au retombées plinienne et autres coulées pyroclastiques ayant accompagné/provoqué la formation de la caldeira des Sept Cités, il y a 22 000 ans.


Figure 5. Détail de la moitié inférieure de la falaise ONO de l'île de Sao Miguel (Açores)

En plus des niveaux basaltiques et des niveaux de ponces, toute la partie inférieure est occupée par des niveaux finement stratifiés et de couleur beige orangée. Il s'agit très vraisemblablement de hyaloclastites palagonitisées ou du moins des dépôts phréato-magmatiques (la différence n'est pas facile à faire vu de loin), de couleur beige à ocre orangée, stratifiées. Ces niveaux sont le résultat d'éruptions volcaniques ayant lieu soit sous une faible tranche d'eau (éruptions dite surtseyennes), soit dans un terrain gorgé d'eau (éruptions dites phréato-magmatiques) (la semaine prochaine sera entièrement consacrée à ce niveau). Un dyke traverse ces niveaux palagonitisés, en bas et au centre droit de l'image.


Figure 6. Détail du dyke visible sur la falaise ONO de l'île de Sao Miguel (Açores)

Les 2 tiers inférieurs gauches sont constitués de hyaloclastites / dépôts phréato-magmatiques palagonitisés, avec vraisemblablement deux niveaux de ponces. Le tiers supérieur droit est constitué de projections et de coulées (ou sills) basaltiques. Un dyke traverse les dépôts au centre de l'image.


Figure 7. Zoom sur le dôme visible à l'extrémité du cap de la falaise ONO de l'île de Sao Miguel (Açores)

La chronologie relative entre le dôme et ce qui l'entoure est très difficile à faire avec de simples jumelles sans aller sur place. En effet, un dôme peut être intrusif, percer ou déformer son encaissant mais ne pas être sorti en surface (on parle de crypto-dôme, un peu comme une mini-intrusion de granite, cf. Un pluton granitique vu globalement en 3D, région du lac Général Carrera-Buenos Aires, Chili ). Il peut aussi être sorti en surface, et les couches de ponces, les projections basaltiques ou les coulées de lave peuvent alors se mouler sur lui ou le contourner. La différence entre ces deux cas extrêmes est difficile à faire sans aller "toucher" le contact.


Les très belles falaises de la Ponta do Escalvado (Pointe des Esclaves) nous montre la structure et la pétrologie des 200 premiers mètres les plus superficiels de ce volcan des Sept Cités. Ces affleurements posent deux questions :

  1. Comment est-ce en dessous ?
  2. Pourquoi cette alternance de roches basiques et acides ?

Une réponse (partielle) à ces deux questions est apportée en allant à la Ponta de Ferraria , autre cap situé à deux kilomètres au Sud-Ouest. Ce cap est extrêmement récent et daterait de 1713, dernière éruption historique du secteur. En 1713, d'après les chroniques historiques, a eu lieu une éruption de type strombolien. Un petit cône, le Pico das Camarinhas s'est formé juste en haut de la falaise. Une coulée s'en est échappée et a formé un cap, la Ponta da Ferraria . Cette coulée, de type aa (cf. Front actif d'une coulée de lave de type aa, flanc Sud du Pu'u O'o (Hawaii), juillet 2001 et Coulées de laves anciennes de type aa (en gratons) : Arizona, Canaries, Islande et Chaîne des Puys ) contient de très nombreuses enclaves qui correspondent à autant d'échantillons récoltés dans la profondeur du volcan. La plupart de ces enclaves sont grenues. Elles ont donc cristallisé en profondeur. Ce sont très vraisemblablement des fragments d'une (ou de plusieurs) ancienne(s) chambre(s) magmatique(s) interne(s) au volcan des Sept Cités, déjà cristallisée(s), et traversée(s) par une nouvelle injection de basalte (magma"primaire") remontant du manteau, sans doute en 1713. On trouve assez facilement une grande variété de roches en enclave, allant des ultrabasites aux gabbros cumulatifs. Quand un magma basaltique cristallise lentement, la cristallisation n'est que partielle au début du processus, et les différents minéraux cristallisent dans un certain ordre qui dépend des températures de fusion-cristallisation de chacun d'eux. En général quand on part d'un basalte alcalin comme aux Açores, il cristallise d'abord de l'olivine, puis du pyroxène, puis du plagioclase. On parle de cristallisation fractionnée. Ces minéraux ne contiennent pas d'alcalin (Na et K) et sont (relativement) pauvre en silice (SiO2). La cristallisation n'étant que partielle, le liquide résiduel, qui n'a pas encore cristallisé, s'enrichit, par différence, en alcalin et en silice. Si on sépare, par exemple par gravité, les ferromagnésiens qui cristallisent et tombent au fond du réservoir, à partir d'une chambre initialement remplie d'un liquide de composition basaltique, on aura, à un moment donné : (1) à la base, un cumulat très riche en ferro-magnésiens (olivine et/ou pyroxène), surmonté (2) d'un mélange pyroxène-plagioclase, surmonté (3) d'un liquide non encore cristallisé, riche en silice et en alcalin, un liquide trachytique par exemple. Si l'éruption a lieu au début du remplissage du réservoir, on aura une éruption basaltique. Si l'éruption a lieu plus tard et que le processus de cristallisation fractionnée / différenciation est déjà bien avancé, on aura une éruption de lave différenciée, riche en silice (acide) et très visqueuse, avec formation de pyroclastites acides (nappes de ponces, coulées pyroclastiques…) et/ou de dômes, de trachyte dans le cas du volcan des Sept Cités. Si, après cristallisation totale ou partielle d'une chambre magmatique, une nouvelle arrivée de magma basaltique non-différencié se produit, ce magma peut échantillonner différents niveaux de l'ancienne chambre, comme il peut aussi échantillonner le manteau (cf. Les nodules péridotitiques "ordinaires" de la coulée basaltique du Ray Pic) ou la croûte (cf. Buchites et enclaves dans les basaltes de la coulée du Ray-Pic). Échantillonner les enclaves de la coulée du Pico das Camarinhas revient à échantillonner différents niveaux d'ancienne(s) chambre(s) magmatique(s) interne(s) au stratovolcan. Et les cumulats ultrabasiques représenteraient la "contrepartie chimique" des trachytes émis sous forme de nappes de ponces ou de dômes.

Figure 8. L'extrême Ouest de l'île de Sao Miguel, Açores, Portugal

L'astérisque blanc correspond à la Ponta do Escalvado , d'où ont été prises les images précédentes et la suivante. La falaise montrée par ces est localisée par le rectangle horizontal de gauche. La Ponta de Ferraria et le Pico das Camarinhas (qui daterait de 1713 d'après les chroniques historiques) sont localisés par le rectangle incliné du centre. Le Pico das Camarinhas correspond au petit cône égueulé en haut du rectangle. La Ponta de Ferraria correspond au petit cap formé par la coulée de basalte s'en échappant. C'est cette coulée qui contient de nombreuses enclaves.



Figure 10. La Ponta de Ferraria vue depuis le haut de la falaise, île de Sao Miguel, Açores (Portugal)

Noter le pseudo-cratère au centre de l'image. Un pseudo-cratère, également appelé cône sans racine, est petit cône ne s'enracinant pas sur une venue magmatique ; il a été obtenu par le passage d'une coulée de lave sur un sol gorgé (ou un trou) d'eau. Celle-ci a été vaporisée par le passage de la lave ; la vapeur est ressortie assez violemment en pulvérisant la lave encore plus ou moins liquide et en créant ainsi ce volcan miniature.


Figure 11. Zoom sur le pseudo cratère et la coulée aa de la Ponta de Ferraria


Figure 12. Coupe "fraiche" (postérieure à 1713) de la coulée aa de la Ponta de Ferraria

Au fond, les 150 m de falaise similaires à celle des 7 premières figures. En haut à gauche, un tablier de scories, ici, du Pico das Camarinhas .


Figure 13. Professeurs de SVT cherchant des enclaves dans la coulée aa de la Ponta de Ferraria

Au premier plan, juste à gauche du couteau suisse, une de ces enclaves (voir détail figure suivante).



Figure 15. Vue globale d'enclaves dans la coulée aa de la Ponta de Ferraria

Il s'agit là de gabbros très riches en ferromagnésiens noirs.


Figure 16. Vue détaillée d'enclaves dans la coulée aa de la Ponta de Ferraria

Il s'agit là de gabbros très riches en ferromagnésiens noirs.


Figure 17. Vue globale d'une enclave dans la coulée aa de la Ponta de Ferraria

Il s'agit là d'une enclave quasi exclusivement formée de minéraux noirs, probablement un cumulat de pyroxènes.


Figure 18. Vue détaillée d'une enclave dans la coulée aa de la Ponta de Ferraria

Il s'agit là d'une enclave quasi exclusivement formée de minéraux noirs, probablement un cumulat de pyroxènes.


Figure 19. Localisation des Açores, juste à l'Est de la dorsale atlantique

La punaise jaune représente l'île de Sao Miguel et la punaise rouge l'île de Faial.