Article | 26/09/2019

Le magmatisme tertiaire et quaternaire du plateau du Colorado (États-Unis d'Amérique) : exemple du Navajo Volcanic Field

26/09/2019

Matthias Schultz

Professeur de SVT, Lycée H. de Chardonnet, Chalon sur Saône

Olivier Dequincey

ENS Lyon / DGESCO

Résumé

Magmatisme calco-alcalin et bimodal du plateau du Colorado. Dykes, necks et diatrèmes et rares coulées du Navajo Volcanic Field, magmatisme mantellique à faible taux de fusion.


Le magmatisme relativement récent (tertiaire et quaternaire) du plateau du Colorado a déjà été évoqué sur Planet-Terre, notamment dans les articles Monument Valley : grès et argiles, diaclases, érosion, mésas et buttes témoins, anciens volcans…, Les rochers noirs (black boulders) du Parc national de Capitol Reef (Utah, États-Unis d'Amérique) et Coulées de laves anciennes de type aa (en gratons) : Arizona, Canaries, Islande et Chaîne des Puys. Développons un peu plus certaines de ses manifestations et ses origines.

Retour sur le Marysvale Volcanic Field, ses caractéristiques et son origine

Larges rochers volcaniques (basaltes et andésites, principalement) au sommet de la Boulder Mountain (Utah, États-Unis d'Amérique), à l'Ouest du Parc national de Capitol Reef

Figure 1. Larges rochers volcaniques (basaltes et andésites, principalement) au sommet de la Boulder Mountain (Utah, États-Unis d'Amérique), à l'Ouest du Parc national de Capitol Reef.

La Boulder Mountain est un plateau volcanique de 180 km2 environ, inclus dans le plateau d'Aquarius (voir figure 3) et daté de −20 à −25 Ma. Ce plateau ne constitue que la partie la plus orientale du Marysvale Volcanic Field, bien développé dans tout le Sud-ouest de l'Utah, à la transition entre le plateau du Colorado et la province du Basin and Range. Les rochers photographiés ici sont issus du démantèlement (par les glaciers notamment, lors des dernières phases glaciaires) de ce plateau volcanique. Notez les larges vacuoles de gaz volcaniques.


Éboulis en bordure d'une terrasse alluviale dominant la rivière Fremont, à proximité de Fruita, dans le Parc national de Capitol Reef (Utah, États-Unis d'Amérique)

Figure 2. Éboulis en bordure d'une terrasse alluviale dominant la rivière Fremont, à proximité de Fruita, dans le Parc national de Capitol Reef (Utah, États-Unis d'Amérique).

Les rochers noirs (black boulders) basaltiques et andésitiques constituant cette terrasse sont datés de −20 à −25 Ma et proviennent des plateaux volcaniques au Nord et à l'Ouest du parc, comme Boulder Mountain (figure 1). Leur transport et la formation subséquente de la terrasse fluviatile elle-même ne remontent qu'au Quaternaire (−200 000 ans environ), sans doute en lien avec un cycle glaciaire. Notez les vacuoles de gaz volcaniques dans les blocs, ainsi que les encroutements calcaires (caliche ou calcrete) dus au séjour de certains rochers à demi-enterrés dans les sols de ces régions arides.


Le Marysvale Volcanic Field a été évoqué comme origine des black boulders observés dans le Parc national de Capitol Reef dans l'article Les rochers noirs (black boulders) du Parc national de Capitol Reef (Utah, États-Unis d'Amérique). Il s'agit d'un vaste champ volcanique, en partie érodé, couvrant le Sud-ouest de l'Utah, à la transition entre le plateau du Colorado et la province géologique voisine du Basin and Range. Ce champ comprend majoritairement des stratovolcans et d'épaisses coulées de lave, mais inclut également quelques caldeiras et dépôt de cendres associés ; un complexe batholithique, affleurant moins mais représentant un volume de magma plus important encore, est présent sous ce champ volcanique.

Le magmatisme dominant y est principalement calco-alcalin, d'origine mantellique, avec d'abondants basaltes et andésites, et d'autres roches minoritaires en quantité (dont des dacites). Il est daté du Tertiaire (de −34 à −22 Ma, soit Oligocène et début du Miocène), comme la mise en place des principales roches magmatiques intrusives du batholithe. Il a été suivi (avec une période de recouvrement) par un magmatisme bimodal : basaltes, andésites d'une part, et rhyolites saturées en silice d'autre part. Là aussi les édifices volcaniques, en surface, sont associés à des plutons de chimie voisine. Cette seconde phase magmatique s'étend de la fin du Miocène jusqu'à nos jours (−500 000 a pour les plus jeunes dômes rhyolitiques recensés) et représente des volumes bien plus limités : environ 5 % du Marysvale Volcanic Field. Son caractère bimodal traduit sans doute une fusion partielle de la croute continentale en plus de la fusion mantellique présente précédemment.

La transition du magmatisme calco-alcalin au magmatisme bimodal correspond à un changement tectonique régional, avec le début de l'extension lithosphérique dans la province du Basin and Range (active depuis le Miocène, avec un maximum entre −10 Ma et nos jours). Le magmatisme bimodal tardif du Marysvale Volcanic Field serait donc associé au rifting continental (comme c'est classiquement le cas ailleurs sur Terre, par exemple au niveau des Afars actuellement) dans cette province voisine du plateau du Colorado. Il trouve d'ailleurs des prolongements bien développés dans toute la province du Basin and Range. Il reste cependant influencé par le ou les processus ayant généré les magmas calco-alcalins précédents.

Le volcanisme calco-alcalin initial suscite bien plus de polémiques parmi les spécialistes en ce qui concerne son origine. Il est retrouvé largement dans tout l'Ouest des États-Unis, notamment en très nombreux points du plateau du Colorado. Les auteurs le relient à la subduction de la lithosphère océanique de la plaque Farallon à l'Ouest sous la plaque tectonique Nord-Américaine à l'Est. Cette subduction s'est en effet produite avec un angle très faible, généralement interprété comme la conséquence d'une subduction rapide (plus de 10 cm/an) d'une jeune plaque océanique encore chaude et/ou à croute particulièrement épaisse, deux raisons diminuant la densité de la plaque subduite et donc entrainant une résistance à l'enfoncement dans le manteau asthénosphérique. Cela a entrainé un régime de convergence tectonique à l'origine de la formation des Montagnes rocheuses et de la plupart des grandes chaines de reliefs de l'Ouest de l'Amérique du Nord, de l'Alaska au Mexique. L'orogenèse laramienne (ou du Laramide), en particulier, qui marque fortement tout l'Ouest des États-Unis, est datée d'environ −90 à −50 Ma.

Cette subduction aurait également engendré un magmatisme calco-alcalin quelque peu atypique, l'angle faible de subduction pouvant expliquer la distance inhabituellement importante séparant la zone de plongée de la plaque océanique des principaux centres magmatiques, ainsi que la vaste extension de ces derniers. Cependant d'autres auteurs font intervenir des mécanismes plus originaux (parmi lesquels un manteau anormal, métasomatisé par la subduction, associé à une lithosphère anormalement épaisse, chimiquement atypique, l'ensemble affecté régionalement par des températures inhabituellement élevées…) et préfèrent décrire un magmatisme intraplaque plutôt qu'un magmatisme de subduction. Quelques soient leur(s) cause(s), les anomalies thermiques positives de la lithosphère et du manteau asthénosphérique sous-jacent associées à ce magmatisme ont certainement joué un rôle dans la surrection sans grande déformation tectonique du plateau du Colorado (surrection « en bloc » dont l'origine est elle aussi sujette à de vifs débats entre géologues).Tout cela montre aussi que le volcanisme a des origines plus variées et complexes que le “trio classique” des années 1970 : rift – dorsale, subduction, point chaud.

Ensuite, au Miocène, autour de −20 Ma, et peut-être dès l'Oligocène, autour de −30 Ma, la vitesse de subduction a été divisée par deux par rapport à l'époque Laramide, en association avec un retrait vers l'Ouest de cette subduction et un retour à un angle de plongement plus fort. Ce retour a une subduction plus “classique” a aussi pu être associé avec un magmatisme d'arc plus habituel perçant le plateau du Colorado (laccolithes, dômes et autres structures volcaniques des montagnes Henry notamment), ou à d'autres mécanismes plus originaux faisant intervenir une perturbation thermique régionale, accompagnée d'un magmatisme atypique et de la surrection « en bloc » du plateau. Le jeu transformant de la faille de San Andreas à l'Ouest s'est ensuite peu à peu développé, la subduction a cessé régionalement, et l'extension du Basin and Range s'est mise en place.

Carte du Marysvale Volcanic Field dans le Sud-Ouest de l'Utah (États-Unis d'Amérique)

Figure 3. Carte du Marysvale Volcanic Field dans le Sud-Ouest de l'Utah (États-Unis d'Amérique).

Les zones grisées de ce document correspondent à l'extension des roches volcaniques. La limite du plateau du Colorado avec la province du Basin and Range est située immédiatement à l'Ouest des villes de Nephi (Ne) Fillmore (F), Cove Fort (CF), Beaver (B), Parowan (Pa) et Cedar City (C). La Boulder Mountain fait partie du plateau d'Aquarius à l'Est. Le Parc national de Capitol Reef est situé immédiatement à l'Est de ce plateau.


D'autres exemples de champs magmatiques récents du plateau du Colorado

De nombreux autres exemples de champs volcaniques récents du plateau du Colorado auraient pu être étudiés. Nous pouvons ainsi évoquer rapidement le Uinkaret Volcanic Field, dont les très jeunes cônes de téphras s'étendent sur la rive Nord du Grand Canyon, avec de spectaculaires coulées de laves dans le canyon lui-même, à l'origine de barrages naturels du Colorado pendant le Pléistocène (figures 4 et 5) ; ou encore le San Francisco Volcanic Field, au Nord de Flagstaff, Arizona (figures 6 à 8), comportant près de 600 jeunes édifices (datés de −6 Ma à −1 000 a).

Ces divers champs magmatiques d'âge cénozoïque marquent surtout l'ensemble des bordures du plateau, en association avec des anomalies thermiques profondes, mais débordent avec le temps vers le centre du plateau (figure 9). Cela rend discutable l'attribution de ce magmatisme aux seuls processus “classiques” aux limites des plaques tectoniques. Quoi qu'il en soit, les manifestations de ce magmatisme sont aisément observables en de nombreuses localités de l'Ouest américain, il serait dommage de se priver de l'admirer sous prétexte qu'il entre mal dans les classifications usuelles !

Coulées de lave du Uinkaret Volcanic Field en rive Nord du Grand Canyon (Arizona, États-Unis d'Amérique), datant du Pléistocène

Figure 4. Coulées de lave du Uinkaret Volcanic Field en rive Nord du Grand Canyon (Arizona, États-Unis d'Amérique), datant du Pléistocène.

Certaines de ces coulées ont barré le lit du fleuve Colorado à plusieurs reprises au cours des deux derniers millions d'années, créant des lacs de barrage naturels temporaires. Ces barrages ont permis d'estimer la vitesse d'incision du fleuve.


Vue satellite du Uinkaret Volcanic Field en rive Nord du Grand Canyon (Arizona, États-Unis d'Amérique)

Figure 5. Vue satellite du Uinkaret Volcanic Field en rive Nord du Grand Canyon (Arizona, États-Unis d'Amérique).

Les édifices volcaniques (cônes de téphras) et les coulées de lave sont très récents (Pléistocène). Ils ressortent admirablement en vue aérienne dans ces paysages désertiques.

Localiser via un fichier kmz le Uinkaret Volcanic Field.


Vue aérienne d'un jeune cône de téphras andésitiques, le SP Crater, et de la coulée de lave associée, dans le San Francisco Volcanic Field au Nord de Flagstaff (Arizona, États-Unis d'Amérique)

Figure 6. Vue aérienne d'un jeune cône de téphras andésitiques, le SP Crater, et de la coulée de lave associée, dans le San Francisco Volcanic Field au Nord de Flagstaff (Arizona, États-Unis d'Amérique).

Cet édifice doit son nom à son apparence évoquant poétiquement un pot de chambre (shit pot) dans l'esprit des éleveurs de bétail du XIXe siècle.


Vue du Sunset Crater, le plus jeune édifice du San Francisco Volcanic Field au Nord de Flagstaff (Arizona, États-Unis d'Amérique)

Figure 7. Vue du Sunset Crater, le plus jeune édifice du San Francisco Volcanic Field au Nord de Flagstaff (Arizona, États-Unis d'Amérique).

L'éruption date du XIe siècle de notre ère. La végétation n'a que faiblement colonisé l'édifice en un millier d'années, le climat aride n'aidant guère à former un sol au détriment des roches volcaniques dures. Notez au premier plan de la photo la surface torturée de la coulée de lave, de type aa : amoncellement de blocs décimétriques à métriques ressoudés à chaud, ayant pour origine une viscosité élevée de la lave, avec une surface relativement solidifiée tandis que l'intérieur coule et se déforme encore. Pour plus de détails, on se reportera à l'article Coulées de laves anciennes de type aa (en gratons) : Arizona, Canaries, Islande et Chaîne des Puys. Notons aussi que dans la mythologie des Amérindiens Hopis, le cratère Sunset est le lieu où réside le dieu du vent.


Vue satellite du San Francisco Volcanic Field au Nord de Flagstaff (Arizona, États-Unis d'Amérique)

Figure 8. Vue satellite du San Francisco Volcanic Field au Nord de Flagstaff (Arizona, États-Unis d'Amérique).

Les édifices volcaniques (cônes de téphras) et les coulées de lave sont très récents (Pliocène à Pléistocène). Ils ressortent admirablement en vue aérienne dans ces paysages désertiques). Les positions de quelques édifices sont précisés : coulées et cônes volcaniques du SP Crater (figure 6) et du Sunset Crater (figure 7), ainsi que le stratovolcan plus complexe Humphreys Peak.

Localiser via un fichier kmz le San Francisco Volcanic Field.


Carte du plateau du Colorado (États-Unis d'Amérique) avec les principaux champs magmatiques d'âge cénozoïque en orange

Figure 9. Carte du plateau du Colorado (États-Unis d'Amérique) avec les principaux champs magmatiques d'âge cénozoïque en orange.

La distribution des champs magmatiques marque surtout les limites du plateau, mais tend à affecter aussi le centre avec le temps.

D'après H.L. Levin, D.T. King Jr, 2016. The Earth Through Time, Wiley, ISBN: 978-1-119-22834-9, 608p.


Bibliographie

Article d'inspiration principale

S. Semken, 2003. Black rocks protruding up: the Navajo Volcanic Field, in Geology of the Zuni Plateau, New Mexico Geological Society Guidebook, 54th Field Conference, 133-138 [pdf1pdf2]

Pour aller plus loin sur le Marysvale Volcanic Field

P.D. Rowley, H.H. Mehnert, C.W. Naeser, L.W. Snee, C.G. Cunningham, T.A. Steven, J.J. Anderson, E.G. Sable, R.E. Anderson, 1994. Isotopic Ages and Stratigraphy of Cenozoic Rocks of the Marysvale Volcanic Field and Adjacent Areas, West-central Utah, U.S. Geological Survey Bulletin, 2071 [pdf]

Un article parmi beaucoup d'autres sur l'origine du magmatisme et de la surrection en bloc du plateau du Colorado

M. Roy, T.H. Jordan, J. Pederson, 2009. Colorado Plateau magmatism and uplift by warming of heterogeneous lithosphere, Nature, 459, 978–982 [pdf] https://physics.unm.edu/Courses/Roy/MRwebpage/roy_et_al_09_nature08052.pdf