Les orgues phonolithiques de la Tour du Diable ( Devils Tower ), Wyoming, USA

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

06/11/2017

Résumé

Prismations exceptionnelles dans un corps magmatique phonolithique. Prismes réguliers, prismes grossiers et tentatives de reconstitution de la géométrie initiale à partir des isothermes.


Figure 1. La Tour du Diable ( Devils Tower , Wyoming, USA), vue depuis l'Est

À gauche, vue générale de la Tour du Diable ( Devils Tower ), vue depuis l'Est. Cette Tour du Diable, domine le plateau environnant d'environ 250 à 300 m. La partie supérieure de ces 250 à 300 m rocheux est constituée de très beaux prismes phonolitiques, réguliers, d'environ 4 m de largeur pour 150 m de hauteur. La partie inférieure est constituée de prismes moins réguliers et moins verticaux. À droite, un zoom sur les prismes et sur deux grimpeurs permet de se rendre compte de la taille et de la régularité des prismes de la partie supérieure.


La Tour du Diable ( Devils Tower ), dans le Wyoming (USA), est un relief volcanique au cœur du Devils Tower National Monument . Ce relief domine le plateau environnant d'environ 250 à 300 m. La moitié supérieure de ces 250 à 300 m est constituée de très beaux prismes phonolitiques, réguliers, d'environ 4 m de largeur pour 150 m de hauteur. Ces prismes réguliers et bien formés sont quasi-verticaux au sommet (pendage de 90°). Ils sont incurvés vers leur base et n'ont plus qu'un pendage d'environ 45° pouvant même être plus faible que 30°. Sous cet horizon de prismes bien formés pendant de 45° à 30°, on trouve un horizon de 100 à 150 m d'épaisseur de prismes plus grossiers, beaucoup moins réguliers et non verticaux. Les prismes bien formés ont sans doute dû se former par un lent refroidissement-rétraction, vraisemblablement assez loin du bord du corps magmatique. Les prismes irréguliers et mal formés se sont sans doute créés lors d'un refroidissement-rétraction plus rapide, vraisemblablement assez près du bord du corps magmatique. Il n'est pas exclu que deux arrivées de magma légèrement séparées dans le temps soient en partie responsables de cette dualité. La base de ces prismes irréguliers est recouverte d'un tablier d'éboulis montant à une hauteur variable le long de la tour. La phonolite constituant la Tour du Diable a été daté (K-Ar) à 40,5 Ma (Éocène). Elle fait partie d'un ensemble phonolitique plus vaste, comprenant entre autre les Missouri Buttes situées quelques kilomètres plus à l'Ouest. Cette phonolite est intrusive dans une série sédimentaire allant du Trias au Crétacé. Les terrains sédimentaires affleurant à la base de la Tour du Diable sont constitués de grès triasiques rouges surmontés de terrains jurassiques argilo-gréso-gypseux jaunes.

Il y a un double problème quant à la géométrie de l'édifice magmatique avant son érosion.

  1. Du fait de l'absence de manifestation d'un volcanisme aérien régional vers -40 Ma (pas d'affleurement présentant une morphologie de coulée, pas de pyroclastites ni autres projections…), la majorité des géologues américains pense que la phonolite n'a pas atteint la surface. Il ne se serait pas agi d'un volcan sensu stricto dont la Tour du Diable serait un reste de la "cheminée" ( neck ), mais d'une intrusion crypto-volcanique restée souterraine et dégagée par l'érosion. Mais le débat n'est pas clos, car des manifestations aériennes ont bien pu exister mais avoir été complètement érodées et/ou ne pas avoir encore été découvertes.
  2. Que ce magma ait ou non atteint la surface, quelle était la géométrie du corps magmatique dont la Tour du Diable est une relique épargnée par l'érosion ? Plutôt en forme de pipe (tuyau) ou plutôt en forme de laccolithe (intrusion d'un diamètre horizontal supérieure à son épaisseur), avec évidement tous les intermédiaires possibles (corps plus ou moins isodiamétriques, en forme de cône… ? La majorité des géologues américains pense que cette intrusion crypto-volcanique avait une forme laccolitique. D'autres auteurs ont suggéré que la tour correspondait au reste du centre d'un remplissage (type lac de lave) d'un maar phréatomagmatique. Là non plus le débat n'est pas clos.

Pour aboutir à ces conclusions, les collègues américains ont dû chercher autour de la Tour du Diable elle-même d'autres affleurements de roches magmatiques. Ils ont dû essayer de localiser les limites extérieures du corps magmatique (quand celles-ci n'affleurent pas de façon évidente) en cartant la zone de transition prismes réguliers / prismes irréguliers, sans doute parallèle aux bords extérieurs du corps magmatique. Ils ont reconstitué la forme des surfaces isothermes au sein de l'intrusion (pour avoir ainsi une idée de la forme de l'intrusion). La géométrie des surfaces isothermes de l'époque de la prismation est en effet facile à reconstituer puisque les isothermes sont toujours perpendiculaires à la prismation (nous ne reviendrons pas en détail sur la formation des prismes, déjà décrite, par exemple, dans La formation des orgues volcaniques , La prismation interne des dykes : exemple des dykes de l'île de Sao Vincente, Cap Vert , Mini et maxi rosaces d'orgues basaltiques , Un type de prismation basaltique spectaculaire et atypique aux îles de la Madeleine (Dakar, Sénégal) : la prismation « en arcs » ...). Ils ont dû comparer avec d'autres corps phonolitiques distants de 3 à 9 km à l'Ouest (les Missouri Buttes )...

Il n'est pas autorisé à un touriste de sortir des sentiers balisés dans ce National Monument sans en demander l'autorisation (facile à obtenir dit-on, en particulier pour faire de l'escalade), et je ne disposais que de peu de temps pour parcourir ce site. Dans cet article, nous ne vous montrons que des photographies faciles à prendre depuis les sentiers balisés et leur interprétation de premier ordre. Nous commencerons par faire le tour de la Tour du Diable en partant du Visitor Center , en restant à son pied, puis nous ferons quelques arrêts au bord de la route d'accès. Puis nous vous montrerons quelques schémas faciles à trouver sur le web, schémas résumant ce que pensent les collègues américains. Enfin, nous vous présenterons quelques "à cotés" non géologiques de cette Tour du Diable.

Figure 2. La Tour du Diable depuis l'Ouest, Devils Tower , Wyoming, USA

On voit très bien que les prismes quasi-verticaux en haut sont beaucoup moins pentés vers le bas de la zone bien prismée, avec transition progressive entre prismes peu pentés en bas et presque verticaux en haut. Entre les arbres, on devine la zone à primes grossiers et irréguliers.


Figure 3. Base de la face Ouest de la Tour du Diable, Devils Tower , Wyoming, USA

On voit très bien que les prismes, presque horizontaux à la base de la tour, se verticalisent au sommet de l'image. À « vue de nez », les prismes de base de cette image ont une direction Est-Ouest (N 90°) et un pendage de 30° vers l'Ouest. On peut reconstituer par la pensée la géométrie des surfaces isothermes, perpendiculaires aux prismes. Horizontales au sommet de la tour, les surfaces isothermes sont presque verticales vers cette base Ouest de la tour. À cette base Ouest de la tour, les surfaces isothermes, perpendiculaires à des prismes N 90°, 30° Ouest devaient être des surfaces N 0° (N-S) avec un pendage de 70° vers l'Est. C'est en faisant ce type de raisonnement sur l'ensemble des affleurements rocheux de la tour du Diable et de ses environs que les géologues américains ont pu essayer de reconstituer la géométrie du corps magmatique. Vue depuis le sentier balisé, la géométrie des prismes en bas à droite de l'image n'est pas claire. L'essentiel de la partie à prismes irréguliers est ici caché sous de éboulis.


Figure 4. Face Sud-Ouest de la Tour du Diable, Devils Tower , Wyoming, USA

On voit très bien, au-dessus du tablier d'éboulis, le tiers inférieur constitué de prismes irréguliers et "grossiers" et les deux tiers supérieurs constitués de prismes réguliers et bien formés, qui se verticalisent à partir de leur base.


Figure 5. Base des prismes réguliers de la face Sud-Ouest et sur leur "horizontalisation"

Deux grimpeurs, à peine visibles, sont exactement au centre de cette image et donnent l'échelle.





Figure 9. Détail des prismes réguliers de la face Nord-Est de la Tour du Diable ( Devils Tower ), Wyoming, USA

On devine des lignes horizontales perpendiculaires aux prismes, lignes qu'il n'est pas possible d'étudier et d'expliquer de si loin.


Figure 10. Vue d'ensemble d'un bloc de phonolite sur le bord du chemin faisant le tour de la Tour du Diable

La pâte du bloc de gauche, légèrement altéré, est claire. Le bloc en haut à droite, moins altéré car présentant une cassure fraiche, présente une pâte plus grise.


Figure 11. Gros plan sur une phonolithe de la Tour du Diable, Devils Tower , Wyoming, USA

Au sein d'une pâte (verre + microlithes) légèrement beige du fait de l'altération, on voit deux types de phénocristaux : (1) quelques petits cristaux noirs, vraisemblablement des amphiboles, et (2) des cristaux gris translucides de feldspath potassique, vraisemblablement des sanidines. Cette roche est une roche acide sous-saturée, mais les feldspatoïdes ne sont pas visibles à l'œil nu. C'est une roche de la série alcaline. Chimiquement, cette roche contient 61% de SiO2, 19% d'Al2O3 , 13% de Na2O + K2O, 2% de CaO + MgO + FeO (cf. nps.gov).


Figure 12. Face Sud de la Tour du Diable vue depuis la route d'accès, Devils Tower , Wyoming, USA

On voit bien l'encaissant sédimentaire stratifié de cette intrusion magmatique : argile et grès rouges du Trias au premier plan, argiles, grès et gypse jaunâtre du Jurassique au deuxième plan.



Figure 14. Exemple de raisonnement pouvant permettre de reconstituer la géométrie du corps magmatique dont la Tour du Diable est une relique

La donnée de base, c'est la géométrie des prismes ( columns en anglais). Une interprétation du premier ordre permet de retracer les surfaces isothermes (perpendiculaires aux prismes) au sein de la Tour du Diable. D'autres surfaces isothermes déterminées plus loin avec d'autres affleurements, des comparaisons avec d'autres massifs comme les Missouri Buttes … permettent de proposer cette géométrie pour le corps magmatique, ici supposé atteindre la surface. La prismation irrégulière de la base de la Tour du diable n'est pas prise en compte dans cette reconstitution.


Figure 15. Schémas historiques du début du XXème siècle expliquant l'origine de la Tour du Diable ( Devils Tower , à droite) et des Missouri Buttes (à gauche)

Sur ces schémas, les couleurs ne sont pas "conventionnelles" : le Trias est en bleu, le Jurassique en violet, et le Crétacé en vert. La phonolithe est figurée en orange, et des brèches basales (non visibles sur le chemin qui fait le tour de la Tour du Diable) sont figurées en rouge.


Figure 16. Les 4 hypothèses de mise en place présentées par le Devils Tower National Monument en 2017

Les schémas 1 et 2 proposent un corps magmatique n'ayant pas atteint la surface (corps appelé stock en cas de corps isodiamétrique, laccolith en cas de corps plus large que haut). Les schémas 3 et 4 proposent que la Tour du Diable soit le reste d'un volcan ayant atteint la surface ( neck dans le cas d'une cheminée très élargie, ou remplissage d'un lac de lave, maar-diatrem crater ). Les surfaces isothermes ont été représentées en rouge. Les observations disponibles ne permettent pas de trancher définitivement entre ces quatre possibilités.


Quand la nature montre des paysages extraordinaires, l'humanité, très souvent, invente des légendes. Une légende amérindienne explique la Tour du Diable de la façon suivante : sept jeunes filles qui cueillaient de fruits dans la forêt furent prises en chasse par un ours. Elles se réfugièrent sur un rocher, que l'ours essaya de grimper. Le grand esprit pour sauver ces jeunes filles fit monter la roche sur laquelle elles s'étaient réfugiées. Et l'ours, en essayant de grimper, raya les parois du rocher. Finalement, les sept jeunes filles atteignirent le ciel et devinrent sept étoiles, les sept étoiles de la constellation des Pléiades.

Figure 17. L'origine de la Tour du Diable selon une légende des tribus Lakota et Kiowa


Les sites géologiques exceptionnels sont souvent l'objet de pèlerinages ou de cultes, Uluru (cf. Uluru, l'inselberg emblématique de l'Australie ) pour les aborigènes australiens, le Fuji Yama pour les Japonais… La Tour du Diable est encore de nos jours un site où les Amérindiens viennent faire des offrandes, demander une grâce… sous forme de rubans ou de poupées attachés dans les arbres autour du rocher. En quelque sorte, les équivalents amérindiens de pratiques courantes dans les religions monothéistes que nous connaissons mieux : cierges au pied d'une statue, petit papiers glissés entre les pierres d'un vieux mur, pierres que l'on jette sur une stèle…


Il n'y a pas que les légendes et les religions amérindiennes qui se sont "emparées" de la Tour du Diable. Le cinéma l'a fait aussi, en particulier avec le film Rencontre du troisième type (Close Encounters of the Third Kind) de Stephen Spielberg, 1977.