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TD 1 - Le volcanisme du Massif CentralEVI 883 - Geodynamique de la France

Cyril Langlois

Universite Bordeaux 1

26 janvier 2009

Cyril Langlois Universite Bordeaux 1

TD 1 - Le volcanisme du Massif Central

Magmatisme et tectonique des plaques Variete des roches magmatiques

Premiere partie I

Rappels sur le volcanisme




Rappel : la production des magmas




Magmas basiques

I Les magmas basiques, les plus repandus, proviennent de la fusiondes roches du manteau, les peridotites.

I Cela implique que le geotherme recoupe le solidus des peridotites.

I Les zones de production de magmas sont directement liees a latectonique des plaques et a la possibilite d’intersectiongeotherme-solidus.

I Dorsales ;I Points chauds ;I Zones de subduction.

I Dans chaque site, les magmas auront des caracteristiques chimiqueset dynamiques particulieres.




Classifications

Classification des roches magmatiques

Classification deStreckeisen ettriangle desroches mafiques.




Classifications

Classification des roches magmatiques

Classification par un diagramme Alcalins - Silice (Le Bas et al., 1986)




Differenciation magmatique

Magmas primaires et evolution

Les magmas primaires sont des magmas � basiques �, a teneurlegerement variable en SiO2. Les premieres roches produites peuventdonc presenter quelques variations entre :

I Des basaltes alcalins (a olivine), pour les plus pauvres en silice ;

I Des basaltes � satures � (sous-entendu, en silice) pour les magmasun peu plus siliceux.





Evolutions dans le diagramme de Streckeisen

1er cas : serie saturee : basaltes → trachytes ou rhyolites

F. alcalins Plagioclases

Quartz

feldspathoıdes

10 35 65 90

10

60

20

60

R. hyperquartzeuses

Syenitesalcalines

Granites alcalinsRhyolites alcalines

DioritesAndesites

TonalitesDacites

GranitesRhyolites

Grano

diorites

Rhyo

dacites

Monzo-gabbrosTrachy-basaltes

Syenitesnepheliniques

Phonolites

TheralitesBasanites

SyenitesTrachytes

MonzonitesLatites

Monzosyenitesfeldspa-

thoıdiques

Phonolitestephritiques

EssexitesTephrites

Foıdites






La divergence des evolutions trachytes → trachytes alcalines ou trachytes→ rhyolites est liee, en particulier, a la cristallisation d’amphiboles lors dela cristallisation fractionnee :

I l’apparition d’amphibole, mineral relativement pauvre en silice,entraıne l’enrichissement du liquide en SiO2 ;

I Mais l’amphibole est un mineral relativement hydrate : elle apparaıtdans des magmas riches en eau, ou a la suite d’un apport d’eau aumagma.






2e cas : serie sous-saturee : basaltes alcalins → tephrites → phonolites

F. alcalins Plagioclases

Quartz

feldspathoıdes

10 35 65 90

10

60

20

60

R. hyperquartzeuses

Syenitesalcalines

Granites alcalinsRhyolites alcalines

DioritesAndesites

TonalitesDacites

GranitesRhyolites

Grano

diorites

Rhyo

dacites

Monzo-gabbrosTrachy-basaltes

Syenitesnepheliniques

Phonolites

TheralitesBasanites

SyenitesTrachytes

MonzonitesLatites

Monzosyenitesfeldspa-

thoıdiques

Phonolitestephritiques

EssexitesTephrites

FoıditesCyril Langlois Universite Bordeaux 1




Cristallisation fractionnee et evolution des magmas

Evolution des magmas

par cristallisation

fractionnee dans le

diagramme AFM.

A =(Na2O + K2O), F =

(FeO + Fe2O3), M = MgO.

Deux situations sont

representees :

cristallisation en milieu

reducteur (fer ⇔ Fe2+)

ou oxydant (Fe3+).





Cristallisation fractionnee et evolution des magmas




Dynamismes eruptifs

Classification des types eruptifs



Caracteristiques du Massif Central Le grand volcan du Cantal Le volcan du Mont-Dore

Deuxieme partie II

Les strato-volcans du Massif Central




Contexte general

I Comme les autres centres volcaniques d’Europe de l’ouest, levolcanisme du Massif Central est localise dans une zone sureleveeassociee a des grabens sedimentaires.

I Les grabens de la Limagne, de la Bresse, du Rhin, de la Ruhr et del’Eiger se sont formes au debut du Cenozoıque pendant l’orogenesealpine et l’affaissement des bassins mediterraneens et pannoniens.




Contexte general




Provinces et ages

Grandes provinces volcaniques




Provinces et ages

Grandes provinces volcaniques

I Au Nord, alignements N-S ;

I Au Sud, alignements plutotNO-SE ;

I Heritage d’une structure plusancienne (varisque) ?




Provinces et ages

Les ages du volcanisme centralien




Donnees geophysiques

Les donnees de sismique refraction

Isobathes du Mohosous le MassifCentral.





Les donnees de sismique refraction

Coupe sismique sous le Massif Central.





Donnees gravimetriques et thermiques

Anomalie gravimetrique

I Anomalie gravimetrique sous le Massif Central ≈ -70 mgal 1 ;

I Interprete comme liee a la presence d’un corps peu dense enprofondeur, vers 50 km ;

Anomalie thermique

I Flux de chaleur anormal : 105 mW.m−2 ;

I Soit, en enlevant la contribution crustale, une contributionmantellique de 60-70 mW.m−2 sous la region la plus amincie, de 35mW.m−2 en bordure.

1. 1 gal = 0,01 m.s−2, 1 mgal = 0,01 mm.s−2





Un diapir mantellique ?

La tomographie sismique montre deux zones de faible vitesse sismiquesous le Cantal et le Velay, entre 0 et 180 km de profondeur [1].

I Une sous le Cantal,atteignant lasurface ;

I Une sous le Deves,bloquee dans lacroute ;

I Interpretation :zones de remonteesde magma le longde fractureslithospheriquesvarisques, reactiveesa l’oligocene.





Un diapir mantellique ?

Le volcanisme du Massif Central ne peut cependant pas etre interpretecomme le resultat d’un panache mantellique profond de type � pointchaud �.

Modele interpretatif de la formation des rifts Ouest-europeens et de l’evolution du

magmatisme du Massif Central par traction du slab a l’Eocene et l’Oligocene (A) puis

flux asthenospherique et digestion thermique de la lithosphere au Miocene (B).




Structure et histoire du Cantal

Vue d’ensemble

I Le Cantal est le plus vaste stratovolcan d’Europe avec une superficiede 2700 km2 ;

I Il se presente comme un tronc de cone entaille par des valleesglaciaires radiales ;

I On y distingue :I Une zone centrale avec breches et intrusions ;I Une zone externe de plateaux surtout basaltiques, a faible pente, les

planezes.

I L’epaisseur des formations volcaniques dans les regions sommitalesest de l’ordre de 1000 m.





Le Cantal, geologie actuelle





La structure du Cantal





Histoire geologique resume du Cantal

I 13 a 7 Ma : premieres eruptions(basaltes) ;

I Seulement reconnues en fondde vallees et aux marges ;

I Masquees par les produitsplus recents.

I 10 a 6,5 Ma : volcanismetrachy-andesitique ;

I Paroxysme entre 8,5 et 7 Ma ;I Laves, breches, ponces

trachyandesitiques, parfoisrhyolitiques.

I Domes phonolitiques entre7,5 et 5,5 Ma.

I 7 a 2 Ma : grande productionbasaltique ;

I Peu visibles dans la zonecentrale (quelques filonsintrusifs) ;

I Epaisse couverture de basalteau N ; quasi - absente au SE.

I Depuis 2 Ma : Erosion glaciaireet post-glaciaire.





Les avalanches de debris du Cantal

L’histoire des grands strato-volcans comme le Cantal passe par desalternances de phases :

I Longues periodes d’edifications, par eruptions repetees, de styleeruptif variable ;

I Longues periodes de sommeil → erosion ;

I Periodes breves de destruction instantanee.






I Les phases de destruction sont dues a des eruptions de grandeintensite, avec :

I Explosions paroxysmales ;I Effondrements centraux ;I Destabilisation de flancs.

I → decapitation de l’edifice, qui peut perdre jusqu’a 1 km ;

I De tels evenements cataclysmiques (duree : quelques heures aquelques semaines), peuvent clore un cycle de construction ou aucontraire en inaugurer un autre.






I Le Cantal a sans doute connu plusieurs episodes de destruction de cetype ;

I La presence sous le Cantal d’une importante accumulation argileuse,et peut-etre de gypse, pourrait expliquer l’instabilite de l’edifice etl’amplitude exceptionnelle des grands glissements qui l’ont detruit aplusieurs reprises.





Un modele du Cantal




Les roches du Cantal

Les basaltes infra-cantaliens

I Laves indifferenciees, surtout connues dans le secteur septentrional ;ailleurs, elles sont tres dispersees et recouvertes par les formationsplus recentes ;

I Il s’agit de constructions comportant des coulees, associees a despyroclastites variees ;

I Les laves sont des basaltes alcalins et des basanites pouvant evoluerjusqu’aux trachy-basaltes (= hawaıtes) ;

I Elles traduisent l’installation d’un reservoir profond, basicrustal.





Les basaltes infra-cantaliens

Basalte alcalinL.P.N.A. et L.P.A.

I Phenocristaux : augites zones,olivines alterees ;

I Mesostase : plagioclases,pyroxenes, rares olivines,opaques.





Le strato-volcan trachy-andesitique

I Vers 9 Ma debute la construction du strato-volcan proprement dit,qui implique la formation et le maintien d’un vaste reservoirintra-crustal ;

I Cet edifice fonctionnera jusqu’a 6,5 Ma ;

I Pendant 2,5 Ma, il s’est vraisemblablement detruit et reconstruitquatre fois ;

I Il y a eu d’abord emission de coulees basaltiques (≈ 10 a 7 Ma),recouvertes ensuite par les produits suivants.





Les laves du strato-volcan

I Le stratovolcan a ete principalement alimente par des magmassatures, constituant une serie moderement alcaline. Les termes lesmieux representes sont des � trachyandesites � plus ou moinsdifferencies :

I Trachyandesite a augite et hypersthene ;I Trachyandesite a augite et oxyhornblende ;I Trachyandesite a augite et biotite ;I Trachyandesite a oxyhornblende et biotite.

I L’evolution s’est poursuivie jusqu’a des termes plus acides et plusdifferencies :

I Trachytes ;I Rhyolites.

I Toutes ces laves ont ete generalement emises de facon explosive.






Trachyandesite a augite ethyperstheneL.P.N.A. et L.P.A.

I Phenocristaux : hypersthenes(Opx), augites (Cpx) etopaques ;

I Mesostase : plagioclases,feldspaths alcalins, pyroxenes,opaques.






Trachyandesite a augite etoxyhornblendeL.P.N.A. et L.P.A.

I Phenocristaux : plagioclases,oxyhornblendes, augites,opaques ;

I Mesostase : plagioclases,quelques feldspaths alcalins,pyroxenes, opaques, verre.






Trachyandesite a augite et biotiteL.P.N.A. et L.P.A.

I Phenocristaux : plagioclases,augites, biotites et opaques ;

I Mesostase : plagioclases,feldspaths alcalins, pyroxenes,opaques.






TrachyteL.P.N.A. et L.P.A.

I Phenocristaux : feldspathsalcalins (anorthose) et biotites± resorbees ;

I Mesostase : feldspaths alcalins,opaques.






RhyoliteL.P.N.A. et L.P.A.

I Phenocristaux : sanidines,opaques ;

I Mesostase : verre.






I Il existe des coulees et des intrusions (domes), mais la majorite desproduits de la region centrale sont des pyroclastites, directes ouremaniees : au moins 80 % du volume total → breches.

I On identifie egalement une serie minoritaire, plus alcaline,sous-saturee, qui fonctionne vers la fin de l’activite du stratovolcan,et apres (7 a 6 Ma).

I Les magmas sous-satures sont vraisemblablement d’origine plusprofonde que les autres ;

I Ce sont des roches peu differenciees :I Tephrites ;I Phonolites.






BrecheL.P.N.A. et L.P.A.

I Fragments de roches(trachy-andesites) et minerauxisoles ;

I Feldspaths, augites,oxyhornblendes, opaques ;

I Mesostase : verre.






TephriteL.P.N.A. et L.P.A.

I Phenocristaux : plagioclases,hauynes, oxyhornblendes,augites, opaques ;

I Mesostase : plagioclases,alcalins, augites, opaques.






PhonoliteL.P.N.A. et L.P.A.

I Phenocristaux : noseanes,sanidines, augites ægyriniques ;

I Mesostase : sanidines orientees,augite ægyriniques, sphenes,opaques.





Avalanches de debris et remaniements associes

I L’edification du stratovolcan s’accompagne de plusieursdestabilisations de flancs ayant evolue en avalanche de debris ;

I ⇒ Ruptures de flanc par desequilibre gravitaire, entraınantl’effondrement de vastes secteurs de l’edifice volcanique(interpretation par analogie avec le Mt St-Helens) ;

I Ces evenements cataclysmiques engendrent des depots d’avalanchesde debris, repris par des ecoulements boueux (lahars).






I On observe differents facies, des regions centrales vers la peripherie :

I Facies d’avalanches de debris : comprenant des panneaux et des blocsplus ou moins fractures ; on les trouve a l’amont des grandes vallees ;

I Facies de coulees de debris : produit d’ecoulements turbulents,d’aspect desordonne ; generalement bien consolides, ils forment desreliefs ruiniformes et constituent les interfluves des moyennes vallees ;

I Facies de coulees boueuses : ecoulements dilues, a matricesablo-argileuse, comportant des elements de tailles tres variables,allant du megabloc aux fragments plus petits ; ce sont des lahars,surtout presents dans les basses vallees.






I On observe differents facies, des regions centrales vers la peripherie :I Facies d’avalanches de debris : comprenant des panneaux et des blocs

plus ou moins fractures ; on les trouve a l’amont des grandes vallees ;

I Facies de coulees de debris : produit d’ecoulements turbulents,d’aspect desordonne ; generalement bien consolides, ils forment desreliefs ruiniformes et constituent les interfluves des moyennes vallees ;







I On observe differents facies, des regions centrales vers la peripherie :I Facies d’avalanches de debris : comprenant des panneaux et des blocs

plus ou moins fractures ; on les trouve a l’amont des grandes vallees ;I Facies de coulees de debris : produit d’ecoulements turbulents,

d’aspect desordonne ; generalement bien consolides, ils forment desreliefs ruiniformes et constituent les interfluves des moyennes vallees ;







I Il y aurait eu au moins quatre avalanches de debris :I Dans les secteurs Nord et Est (> 7,4 Ma) ;I Dans le secteur Ouest (entre 7,4 et 7,2 Ma) ;I Dans les secteurs Sud et Sud-Ouest (< 7,2 Ma).




Apercu du massif

Le massif du Mont-Dore

I Un massif volcanique elliptique. 35 km × 16 km - 500 km2 ;

I 220 km3 de produits emis + 100 km3 otes par l’erosion glaciaire ;

I Bouches eruptives alignees NS et NO-SE ;

I 3 cycles eruptifs : 4,6 Ma → 3 Ma, 3 Ma → 1,5 Ma, 1,5 Ma → 0,2Ma.




Apercu du massif

Le massif du Mont-Dore




Les series du Mont-Dore

Les trois cycles eruptifs

Cycle inferieur (∼20% du volume emis).

I Laves : basaltes (D.I. ' 30) et quelques termes plus differencies ⇒Serie alcaline sans termes intermediaires.

I Basaltes ankaramitiques (= riches en Px), sombres, a feldspathoıdesnormatifs.

I Pyroxenes (augite) + Plagioclases (labrador) + Olivine + Opaques.

I Quelques trachytes clairs en domes intrusifs.I Sanidine (90%) + Ægyrine + Opaques.

I Rhyolites en domes ou sills.I Quartz (10%) + Sanidine (80%) + Micas (10%) + Opaques.

Cycle superieur (∼20% du volume emis)

I Roches semblables a celles du cycle moyen.





Les trois cycles eruptifs

Cycle moyen (∼60% du volume emis)

I >15% de pyroclastites : Premiere eruption ignimbritique ⇒ nappede ponces (350 km2), composition de rhyolite, enclaves de socle ⇔formation de la caldeira de haute Dordogne ;

I Quartz + Sanidine + Amphibole + Ilmenite + Opaques.

I Une serie basaltique ( D.I. ≤ 50) : Basanite → Trachy-basaltes(Hawaiite) ;

I β ankaramitique (Plagio = Labrador + Augite + Ol + Magnetite) +β demi-deuil - Hawaiite (plagio = andesine, peu de ferro-magnesiens)

I Puis differenciation de deux series pour D.I. > 50 :I serie saturee (rhyolites) ;I serie sous - saturee (phonolites).

Cycle superieur (∼20% du volume emis)

I Roches semblables a celles du cycle moyen.





Les noms locaux des laves du Mont-Dore

Plusieurs laves du Mont-Dore, dans les series saturee et sous-saturee,portent des appellations d’origine locale. On peut leur faire correspondreleur denomination dans la nomenclature internationale.

Correspondance des denominations

I Ordanchite (Banne d’Ordanche) ⇔ Tephrite, tephrite phonolitique ;

I Doreite (Mont-Dore) ⇔ Mugearite = Trachy-basalte ;

I Sancyite (Puy de Sancy) ⇔ Benmoreite = Trachy-andesite.





Exemple de produits du cycle inferieur

Ankaramite (β a cpx)L.P.N.A. et L.P.A.

I Roche tres riche enferro-magnesiens (olivines,augites, oxydes opaques) ;

I Donc roche indifferenciee.





Exemple de produits du cycle inferieur

TrachyteL.P.N.A. et L.P.A.

I Phenocristaux : feldspathsalcalins surtout ;

I Donc differenciation poussee ;

I Richesse en sodium ⇒ferro-magnesiens sodiques.





Exemple de produits du cycle moyen

PoncesL.P.N.A. et L.P.A.

I Debris de roche (trachyte) ;

I Phenocristaux : plagioclases,feldspaths alcalins, biotites ;

I Mesostase : matrice vitreuse etponces fibreuses.






PoncesL.P.N.A. et L.P.A.

I Tres grands plagioclases, visiblesa l’œil nu ;

I Pyroxenes (augites ±titaniferes) et olivines alteres.






Serie saturee : DoreiteL.P.N.A. et L.P.A.

I Phenocristaux : augites,oxyhornblendes,ferromagnesiens ;

I Mesostase a feldspaths alcalins.






Serie saturee : SancyiteL.P.N.A. et L.P.A.

I Phenocristaux : feldspathsalcalins plus frequents ;

I ferro-magnesiens plus riches ensilice : biotite.






Serie saturee : RhyoliteL.P.N.A. et L.P.A.

I Phenocristaux : feldspathsalcalins ;

I Mesostase : verre de silice,devitrifiee ⇒ spherolites.






Serie sous-saturee : OrdanchiteL.P.N.A. et L.P.A.

I Phenocristaux : Olivines etaugites ;

I Donc ici roche tres pauvre ensilice.






Serie sous-saturee : PhonoliteL.P.N.A. et L.P.A.

I Phenocristaux : feldspathsalcalins et ferromagnesienssodiques (augites ægyriniques) ;

I Donc ici roche tres differenciee,mais relativement pauvre ensilice (< 65 %).



Les deux volcanismes du Velay

Troisieme partie III

Volcanisme du Velay




Plateaux et coulees

Les plateaux basaltiques




Plateaux et coulees

La morphologie des coulees de lave

Exemple : la coulee de la carriere d’Yssingeaux




Domes trachytiques et phonolithiques

Les domes trachytiques




Domes trachytiques et phonolithiques

Domes et prismation



Conclusions Ressources et bibliographie

Quatrieme partie IV

Conclusions




Le Massif Central, une collection de volcans

I Variete d’histoires et de morphologies des volcans :I Volcanisme fissural ;I Strato-volcans ;I Cones stromboliens. . .

I Variete chimique et mineralogique des produits volcaniques :I Laves basaltiques peu differenciees, fluides ;I Laves differenciees visqueuses ;I Laves riches en gaz : ponces ; etc. . .

I Variete des paysages resultants :I Plateaux basaltiques ;I Domes ;I Grands edifices ± demanteles.




References bibliographiques

Nehlig P. et al., Les volcans du Massif Central. Revue Geologues,2003.

Bonin B., La petrologie. Collection 128, Nathan Universite, 1999.

Bonin B., Magmatisme et roches magmatiques. Dunod, 2004.

Lallemand S. et coll., Convergence lithospherique. Vuibert, 2005.

Pons J.-C., La petro sans peine 1 - mineraux et roches magmatiques.Editions du CRDP, academie de Grenoble, Collection Focus, 2001.



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