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La province volcanique du Payun Matru (Argentine) : des volcans de subduction hors normes

Pierre Thomas

Laboratoire de Géologie de Lyon / ENS Lyon

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

21/09/2020

Résumé

Volcanisme de la série alcaline en contexte de subduction : variation du pendage de subduction, zones sans volcanisme, et volcanisme alcalin atypique en position d'arrière arc.


Figure 1. Panorama (pris en direction du Sud) résumant la morphologie de la province volcanique du Payun Matru (département de Malargüe, province de Mendoza, Argentine)

Panorama (pris en direction du Sud) résumant la morphologie de la province volcanique du Payun Matru (département de Malargüe, province de Mendoza, Argentine)

Panorama montrant : volcan bouclier avec caldeira centrale, stratovolcan typique, petits cônes pyroclastiques (appelés souvent cônes de scories, parfois cônes stromboliens), coulées de lave visqueuses ou fluides… Le plateau sur lequel sont construits ces volcans a une altitude moyenne d'environ 2000 m, le Payun Matrun de 3715 m, et le Payun Liso (également appelé Cerro Payen) de 3838 m. Cet ensemble volcanique fait partie de la Réserve naturelle de la Payunia.

Localisation par fichier kmz du Payun Matru (Argentine).


Figure 2. Vue aérienne de la région volcanique du Payun Matru (département de Malargüe, province de Mendoza, Argentine)

Vue aérienne de la région volcanique du Payun Matru (département de Malargüe, province de Mendoza, Argentine)

On retrouve les structures suivantes : volcan bouclier avec caldeira centrale, stratovolcan typique, petits cônes pyroclastiques (appelés souvent cônes de scories, parfois cônes stromboliens), coulées de lave visqueuses ou fluides (et noires)…

Cette région volcanique est au pied du front oriental de la Cordillère des Andes (à droite). La frontière chilienne (la crête des Andes) est située à une centaine de kilomètres à l'Ouest (à droite), la côte Pacifique à 300 km, et la fosse océanique du Chili à 450/500 km.


Figure 3. Vue sur l'Amérique du Sud où ont été reportés (points rouges) tous les volcans holocènes (dont la dernière éruption a eu lieu dans les 10 000 dernières années)

Vue sur l'Amérique du Sud où ont été reportés (points rouges) tous les volcans holocènes (dont la dernière éruption a eu lieu dans les 10 000 dernières années)

Le champ volcanique du Payun Matru est localisé par la punaise jaune. On voit que la subduction andine n'est pas partout associée à un volcanisme actif, avec deux zones sans volcans actifs : au Centre-Nord du Chili et sur les 2/3 Nord du Pérou. Ces régions non volcaniques correspondent à deux zones où le pendage de la lithosphère plongeante est très faible.

Données du Global Volcanism Program de la Smithonian Institution, visionnables dans Google Earth via un fichier kmz à télécharger localisant les volcans holocènes et pléistocènes (volcans classés par âge – holocène / pléistocène – puis par région / sous-région géographique).


Figure 4. Carte géologique simplifiée de la région de l'Argentine centrale où se trouve la province volcanique du Payun Matru (cercle rouge)

Carte géologique simplifiée de la région de l'Argentine centrale où se trouve la province volcanique du Payun Matru (cercle rouge)

Régionalement, on voit la Cordillère des Andes (en gris) chevaucher l'avant pays argentin (en jaune). Les terrains volcaniques plio-quaternaires (hors Payun Matru) sont représentés avec des teintes estompées (marron, rose, violet, vert…). La province volcanique du Payun Matru est représentée avec des teintes brun-orangé plus vives et est entourée d'un cercle rouge. Une longue coulée de lave (libellée Pampa ondulata flow), qui fait partie de la province volcanique du Payun Matru, sort du cercle rouge et atteint le coin Sud-Est de la carte. C'est la plus longue coulée de lave quaternaire du monde. Les chiffres indiquent les âges exprimés en millions d'années. On voit que la province volcanique du Payun Matru a des âges beaucoup plus récents que les autres terrains volcaniques régionaux.


La province volcanique du Payun Matru est située au pied Est de la Cordillère des Andes, côté argentin. Elle est incluse dans une région volcanique plus vaste (16 000 km2). Le volcanisme y est essentiellement basaltique et trachytique. Ce volcanisme est actif régionalement depuis le Pliocène jusqu'à l'Holocène (5 Ma jusqu'à l'époque actuelle) [cf. Hernando et al., 2014, Constraints on the Origin and Evolution of Magmas in the Payun Matru Volcanic Field, Quaternary Andean Back-arc of Western Argentina, Journal of Petrology]. Dans la province volcanique du Payun Matru lui-même, le volcanisme date des 350 000 dernières années. Le stratovolcan Payun Liso (appelé aussi Cerro Payen) date de −320 000 à −260 000 ans. L'âge du début des éruptions du Payun Matru sensu stricto n'est pas bien connu. La formation de sa caldeira, formation contemporaine d'émissions ignimbritiques importantes, est datée de −168 000 ans. La caldeira fut partiellement remplie par des dôme et coulées (principalement trachytiques) jusqu'à −82 000 ans. De telles coulées ont également eu lieu sur les flancs du Payun Matru. L'activité se poursuit sur les flancs et à la périphérie du volcan bouclier, principalement sous forme de cônes de scories (plus de 300, principalement basaltiques) et de coulées de basalte [cf. Germa et al., 2010, Volcanic evolution of the back-arc Pleistocene Payun Matru volcanic field (Argentina), Journal of South American Earth Sciences]. La dernière éruption datée avec certitude a eu lieu il y a 7 000 ans. Des âges plus récents mais encore incertains donnent des âges précédant de peu la conquête espagnole. Des éruptions sont relatées dans d'anciens récits oraux des amérindiens habitant la région, sans qu'il soit possible de dire si ces récits concernaient une éruption vieille de 5 ou 50 siècles.

Cette province volcanique détient un “record du monde ” : c'est elle qui a émis la plus longue coulée de lave du monde au Quaternaire, une coulée pahoehoe de 181 km de long, la coulée dite pampa ondulada. Cette coulée se voit sur Google Earth au Sud-Est du Payun Matru. Pas mal pour un volcanisme de subduction réputé et présenté généralement pour ses laves très visqueuses et ses éruptions explosives !

Cette province volcanique est atypique, hors normes, pour un volcanisme de subduction. Tout d'abord ses laves appartiennent à la série alcaline (du basalte aux trachytes) alors que les séries volcaniques associées aux subductions sont majoritairement calco-alcalines, parfois tholéitiques. Ensuite ces volcans ne sont pas situés dans la haute chaine des Andes contrairement à la majorité des volcans andins, mais au pied orientale de la Cordillère, en position d'“arrière-arc” (back arc en anglais). La profondeur de la lithosphère plongeante est de 250 à 300 km sous le Payun Matru, alors qu'elle est ordinairement de 100 à 150 km sous les volcans de subduction classiques.

Dans un premier temps, nous allons vous montrer quelques aspects morphologiques de ce beau massif volcanique, photographiés en juin 2019, pendant l'hiver austral (figures 4 à 25). On a là un véritable “musée” de formes volcanologiques. Puis nous discuterons de l'origine de ce volcanisme hors normes (figures 26 à 30).

Figure 5. Vue globale du Payum Liso (appelé également Cerro Payen), stratovolcan culminant à 3838 m, Argentine

Vue globale du Payum Liso (appelé également Cerro Payen), stratovolcan culminant à 3838 m, Argentine

Ce volcan est âgé de 260 000 à 320 000 ans. Son cratère sommital mesure 1100 m de diamètre.

Localisation par fichier kmz du Payun Liso, ou Cerro Payen (Argentine).


Figure 6. Vue de détail sur le cratère sommital du Payun Liso, Argentine

Vue de détail sur le cratère sommital du Payun Liso, Argentine

Figure 7. Vue depuis le sol (en direction du Sud-Est) du flanc Nord-Ouest du Payun Matru, Argentine

Vue depuis le sol (en direction du Sud-Est) du flanc Nord-Ouest du Payun Matru, Argentine

La platitude apparente du sommet est la conséquence de la formation de la caldeira il y a 168 000 ans. Ce flanc Nord-Ouest est recouvert de coulées “post-caldeira”, surtout visibles à gauche. Ce sont surtout des coulées de lave visqueuse (trachyte) se qui se voit par la raideur de leurs bords. Quelques cônes de scories se devinent à droite.


Figure 8. Vue aérienne du même flanc Nord-Ouest du Payun Matru et de sa caldeira sommitale, Argentine

Vue aérienne du même flanc Nord-Ouest du Payun Matru et de sa caldeira sommitale, Argentine

La caldeira, partiellement remplie par des éruptions post-caldeira est parfaitement visible. Son diamètre est d'environ 9 km. La formation de cette caldeira est géologiquement contemporaine de l'émission d'ignimbrites (cf, figure 26). On remarque les coulées de trachyte à gauche, et de nombreux cônes de scories à droite.




Figure 11. Vue aérienne du flanc Sud du Payun Matru, un véritable “musée” de dômes, dômes-coulées et coulées visqueuses

Vue aérienne du flanc Sud du Payun Matru, un véritable “musée” de dômes, dômes-coulées et coulées visqueuses

Tous ces dômes et coulées (post-caldeira) sont de nature trachytique. La mise en place de certains de ces dômes a sans doute été accompagnée de coulées pyroclastiques et autres nuées ardentes.


Figure 12. Vue (depuis le Nord-Nord-Ouest) sur un joli cône de scorie au deuxième plan

Vue (depuis le Nord-Nord-Ouest) sur un joli cône de scorie au deuxième plan

Ce volcan a émis une belle coulée de basalte qui forme les affleurements noirs entourant ce cône et qu'on voit très bien sur Google Earth. À l'arrière-plan, le versant Nord-Nord-Ouest du Payun Matru et ses coulées de trachyte.

Localisation par fichier kmz de ce cône de scories avec coulée de lave (Argentine).



Figure 14. Les environs du Payun Matru, sur de très grandes étendues, sont souvent recouverts de scories basaltiques émises par des cônes pyroclastiques voisins, par exemple ceux de la gauche de la photo

Les environs du Payun Matru, sur de très grandes étendues, sont souvent recouverts de scories basaltiques émises par des cônes pyroclastiques voisins, par exemple ceux de la gauche de la photo

Au fond, le cône de scories des images précédentes. À droite, la base du Payun Matru.



Figure 16. Mosaïque de photos couvrant 180° montrant un cône de scorie dont les flancs sont parsemés de bombes volcaniques, province volcanique du Payun Matru, Argentine

Mosaïque de photos couvrant 180° montrant un cône de scorie dont les flancs sont parsemés de bombes volcaniques, province volcanique du Payun Matru, Argentine

La petite flèche rouge localise la bombe volcanique photographiée à la figure suivante.

Localisation par fichier kmz de la bombe volcanique sur le flanc d'un cône de scories, Argentine.


Figure 17. Grosse bombe volcanique sur les flancs d'un cône de scories, Argentine

Grosse bombe volcanique sur les flancs d'un cône de scories, Argentine

Cette bombe est fragmentée (par la chute et/ou le gel). Au fond, le Payun Liso.


Figure 18. Les recouvrements de scories commencent à être recolonisés par la végétation

Les recouvrements de scories commencent à être recolonisés par la végétation

La végétation est présente sous forme de graminées (petites touffes au deuxième plan) et par des végétaux épineux (boule au premier plan sur l'image du haut, et détail sur l'image du bas), sans doute Mulinum spinosum de la famille des Apiacées. La rareté de la végétation est due à trois facteurs qui s'ajoutent : l'âge très récent de ce volcanisme (mais pas plus récent que dans la Chaine des Puys), l'altitude (2000 m), et la sécheresse de ces hautes pampas à l'Est de la Cordillère des Andes.



Figure 20. Détail du cratère de la figure précédente

Détail du cratère de la figure précédente


Figure 22. Vue aérienne du volcan ci-dessus

Vue aérienne du volcan ci-dessus

Ce volcan, égueulé par la coulée qui en sort, fait partie d'un ensemble de deux volcans contigus, un peu comme les célèbres Puys de la Vache et de Lassolas dans la Chaine des Puys, à la différence que ces deux puys auvergnats sont égueulés, et qu'un seul l'est ici.


Figure 23. Vue aérienne du volcan ci-dessus et de l'ensemble de la coulée de basalte qu'il a émise

Vue aérienne du volcan ci-dessus et de l'ensemble de la coulée de basalte qu'il a émise

Figure 24. Détail sur le front d'une coulée aa avec, en fond, le Payun Liso, Argentine

Détail sur le front d'une coulée aa avec, en fond, le Payun Liso, Argentine

Figure 25. En se promenant dans la réserve naturelle de la Payunia, Argentine

En se promenant dans la réserve naturelle de la Payunia, Argentine

On peut découvrir les animaux locaux, ici un chinchilla, probablement un Chinchilla brevicaudata, se chauffant au soleil sur une coulée aa.


Cette province du Payun Matru est riche d'enseignements et de questions. Elle montre que l'opposition trop souvent faite entre volcan effusif (souvent appelé “volcan rouge” par les vulgarisateurs) et volcan explosif (”volcan gris”) n'est pas appropriée. Un même ensemble volcanique (ici le Payun Matru) a eu des épisodes effusifs et des épisodes explosifs. On devrait parler d'éruptions effusives ou explosives, et non pas de volcans effusifs ou explosifs !

Et ne serait-ce la flore, la faune et le climat, ce qu'on voit dans la région du Payun Matru ressemble à ce qu'aurait pu voir un géologue dans le massif des Mont-Dore il y a environ 2 Ma, ou dans le Cantal vers −7 à −8 Ma : un volcan bouclier à dominante de basalte et de trachyte recoupé par une caldeira et entouré de cônes périphériques. Ce type d'édifice est classique au sein des “plaques continentales”, que ce soit en contexte de rifting, de remontée asthénosphérique avec amincissement crustal, de points chauds… Mais nous ne sommes pas ici dans un contexte intracontinental, mais dans un contexte de subduction.

Tout cela montre une fois de plus que la réalité est plus complexe que les simplifications habituelles, simplifications normales et/ou compréhensibles en collège, lycée, articles de presse et livres de vulgarisation grand public… mais très dommageables au niveau universitaire. En effet, il serait bien que les étudiants, les futurs enseignants… comprennent que la nature n'a pas à “se plier” aux modèles, mais qu'au contraire, ce sont les modèles qui doivent décrire et expliquer la réalité de la nature.

Les quatre figures suivantes montrent la carte géologique de la province du Payun Matru et la répartition spatiale et temporelle des différentes laves, un diagramme TAS (Total Alkalis Silica) montrant que ce volcanisme, comme celui des Monts-Dore et du Cantal, est caractéristique de la série alcaline, et enfin deux cartes volcanologiques de l'Amérique du Sud. Puis nous discuterons rapidement de l'origine proposée pour ce volcanisme hors normes, mais bien réel.

Figure 26. Carte géologique de la province volcanique du Payun Matru, Argentine

Carte géologique de la province volcanique du Payun Matru, Argentine

La légende de cette carte sépare le volcanisme pré-caldeira (avant −168 000 ans), le volcanisme syn-caldeira représenté par des ignimbrites (−168 000 ans), et le volcanisme post-caldeira (de −168 000 ans à −7 000 ans).

La légende indique la nature des laves : basalte, trachy-andésite, trachyte…, les mêmes laves que dans la Chaine des Puys, association absolument pas classique dans le volcanisme de subduction.


Figure 27. Position des laves du Payun Matru dans un diagramme TAS (Total Alkalis Silica)

Position des laves du Payun Matru dans un diagramme TAS (Total Alkalis Silica)

Ce diagramme permet de séparer les trois principales séries magmatiques issue de la fusion partielle du manteau (le volcanisme issu de la fusion de la croûte continentale n'est pas concerné par ce diagramme), cf. Les magmas primaires basaltiques issus de la fusion du manteau .

Toutes les laves de la province du Payun Matru appartiennent à la série alcaline et sont issues de la différenciation plus ou moins poussée d'un magma primaire basaltique “riche” en alcalins. Que ce soit par la géochimie des éléments majeurs, des éléments traces ou des isotopes, on n'a pas mis en évidence une participation significative de la croûte continentale dans la genèse des laves acides du Payun Matru.


Figure 28. Cadre structural du volcanisme holocène d'Argentine et du Chili central

Cadre structural du volcanisme holocène d'Argentine et du Chili central

À gauche, la plaque Nazca qui subduit sous la plaque Sud-américaine au niveau de la fosse du Chili. Chacune des punaises rouges représente un volcan holocène “classique” des zones de subduction (série calco-alcaline). L'alignement de ces volcans se trouve à environ 300 km de la fosse océanique. La lithosphère plongeante se déshydratant se trouve à 100/150 km sous la surface à l'aplomb de cette ligne de volcans.

Le Payun Matru, localisé par une punaise jaune, se trouve 150 km plus à l'Est ; la lithosphère plongeante s'y trouve à 250/300 km de profondeur. Le Payun Matru n'est pas le seul volcan régional dans cette situation : trois autres (punaises vertes) sont également 100 à 200 km à l'Est de l'arc volcanique principal. D'après le Global Volcanism Program de la Smithonian Institution, les volcans représentés par les punaises vertes numérotées 2 et 3 sont faits des mêmes roches que le Payun Matru (série alcaline), et le volcan numéroté 1 possède les roches des deux séries alcaline et calco-alcaline. La présence d'une province volcanique de la série alcaline très à l'arrière d'une zone de subduction n'est donc pas un hasard (par exemple due à l'arrivée par hasard d'un point chaud juste à l'arrière d'une subduction comme pourraient le proposer des adeptes de la “Sainte Trinité”), mais trahit un phénomène géologique global ignoré par les simplifications habituelles et qui a lieu tout le long de ce segment de subduction.


Figure 29. Répartition de l'alignement des volcans holocènes de subduction “»classiques” (trait rouge) et des volcans ”d'arrière arc” (punaises vertes) dont le Payun Matru (en jaune)

Répartition de l'alignement des volcans holocènes de subduction “»classiques” (trait rouge) et des volcans ”d'arrière arc” (punaises vertes) dont le Payun Matru (en jaune)

On peut noter l'absence de volcanisme sur deux segments de la subduction andine : au Nord et centre Pérou, et au centre-Nord argentin et chilien. Cette absence de volcanisme serait la conséquence d'une subduction très plate, entrainant la rareté voire l'absence de fusion partielle du manteau, et d'un champ de contrainte compressif fermant les fissures et empêchant la sortie d'éventuels magmas.


Il y a un relatif consensus pour expliquer les grandes lignes de l'origine de ce volcanisme alcalin d'arrière arc en Argentine centrale, même si beaucoup reste à préciser dans le détail. Jusqu'au Miocène moyen, la subduction sous l'Amérique du Sud avait un pendage “normal”, avec un arc volcanique “normal”. L'étude de l'évolution spatiale et temporelle du magmatisme, celle des paléo-champs de contrainte grâce à des marqueurs tectoniques, la comparaison avec les régions andines ayant des subductions actuelles presque plates… ont conduit les géologues à proposer l'histoire suivante. Sous l'Argentine centrale et méridionale, la subduction est devenue très peu pentée au Miocène supérieur et au Pliocène inférieur, avec réduction drastique du volcanisme, mise sous compression de la croûte Sud-américaine et genèse de failles inverses et de chevauchements de la Cordillère sur l'avant pays argentin… À partir du Pliocène supérieur, le pendage de la subduction augmente, devient “normal ” et le plan de subduction migre vers l'Ouest. Cela entraine un appel de matériel asthénosphérique venu de “l'Est profond”, sa remontée sous la lithosphère Sud-américaine, et sa fusion partielle par décompression. D'où la convergence chimique et minéralogique de ce magmatisme argentin avec le magmatisme intracontinental type Massif Central. Ce schéma simple pour ne pas dire simpliste pourrait bien sûr être complété, raffiné, compliqué… par d'autres phénomènes, par exemple une rupture de la lithosphère plongeante lors de changement de pendage.

Et tout ça a donné la longue coulée de lave du monde !

Figure 30. Schémas résumant le scénario proposé ci-dessus pour expliquer le volcanisme du Payun Matru (Argentine) et des autres volcans alcalins dans le même contexte géodynamique

Schémas résumant le scénario proposé ci-dessus pour expliquer le volcanisme du Payun Matru (Argentine) et des autres volcans alcalins dans le même contexte géodynamique

Le niveau jaune représente la croute continentale américaine, le niveau brun clair avec traits ondulés le manteau lithosphérique américain, le niveau brun foncé la lithosphère océanique de la plaque Nazca, les zone “bordeaux” l'asthénosphère, les flèches bleues la déshydratation à l'origine du magmatisme “classique” et les taches rouges les zones de fusion partielle et de magma.

Au schéma 3, la remontée de l'asthénosphère des profondeurs orientales (flèche) entraine sa fusion partielle. Une rupture de la lithosphère plongeante entre les stades 2 et 3 compliquerait encore la situation.


Localiser sur la carte interactive (Latitude : -36.4084, Longitude : -69.1999)