Evolution géomorphologique des systèmes volcaniques : Approches quantitatives et qualitatives

Construction et démantèlement des reliefs volcaniques en climat tropical : caractérisation des processus et des temps caractéristiques par reconstructions numériques des paléo-topographies volcaniques

L’axe principal de mes recherches est l’analyse et la quantification de l’évolution des morphologies volcaniques en relation avec les contraintes géodynamiques de leurs mises en place. Ces aspects sont abordés par l'étude de la topographie et la géomorphologie des surfaces volcaniques incluant des méthodes geo-statistiques, amenant à des modélisations de géomorphologie quantitative. La géochronologie intervient également pour situer dans le temps l’évolution de ces structures volcaniques et quantifier leur dynamisme.

Les processus géologiques intervenant dans l’évolution des reliefs volcaniques sont nombreux : constructions effusive et/ou explosive, érosion mécanique (par les eaux météoriques), re-mobilisation de matériaux érodés (conglomérats), grands glissements gravitaires et avalanches de débris. Tous ces processus ont chacun des temps caractéristiques et des intensités propres, leurs actions intégrées présidant à l’évolution globale des édifices. Je m’attache donc à établir des modèles d’évolution des volcans dans le temps et l’espace afin de quantifier la contribution de ces différents processus, d’établir des bilans de masse et de corréler ces bilans aux contextes climatiques actuels et passés.

L’équipe de géochronologie du laboratoire IDES dispose de toutes les compétences et de l’instrumentation nécessaire pour apporter la définition d’une histoire volcanique de haute résolution temporelle. En parallèle, l’étude de la topographie numérique autorise l’analyse des morphologies volcaniques en leur état actuel mais surtout permet de rechercher les géométries initiales et ainsi de proposer des bilans de masse en matière de construction et démantèlement de ces édifices.

Couplé aux contraintes chronologiques apportées par les datations K-Ar, il est dès lors possible de quantifier les taux de construction et de démantèlement des édifices volcaniques. Ces éléments constituent à leur tour des contraintes forçantes pour toute étude portant sur la dynamique éruptive et la quantification des volumes magmatiques émis, voire de contraindre les processus d’évolution magmatique en proposant la part relative des différentes pétrologies exprimées. La comparaison des morphologies actuelles des édifices aux modélisations de leur géométrie initiale, avant que le travail d’érosion n’ait opéré, permet la quantification des processus destructifs. Ces processus sont variés de par leur temps caractéristiques et leurs extensions spatiales. Depuis des événements uniques instantanés et de grande ampleur que sont les grands effondrements de flancs, jusqu’à des processus récurrents opérant sur le long terme tels que l’érosion mécanique. Ces cas extrêmes d’un point de vue de la vitesse des processus de démantèlement, partagent la nécessité de disposer de modèles fiables de reconstruction de l’édifice volcanique. Les apports de cette quantification du démantèlement volcanique et les contraintes apportées sur les volumes et taux d’érosion intéressent une large communauté. En effet ces données peuvent être corrélées aux variations climatiques et de niveaux eustatiques ainsi qu’aux taux de sédimentation que connaissent les bassins périphériques aux édifices volcaniques étudiés.

Principaux Chantiers :

Définir la dynamique éruptive à partir des taux d’émission, et la dynamique d’érosion à partir des taux d’érosion nécessite de rechercher à partir de la géométrie actuelle du relief volcanique, l’ampleur maximale qu’il avait lors de sa construction. Reconstruire cette géométrie doit donc s’appuyer sur des données altitudinales bien contraintes. De surcroit, il est indispensable de proposer des marges d’incertitudes à ces résultats, ce qui impose de rechercher avec quel intervalle de confiance propose-t-on l’altitude des surfaces reconstruites. Ces problèmes ont été abordés dans le cas de l’île de la Basse-Terre de Guadeloupe.

L’île de la Basse-Terre de Guadeloupe, par son histoire volcanique, autorise une telle analyse géomorphologique à plusieurs échelles spatio-temporelles, depuis les études régionales étudiant des évolutions d’ordre géodynamique lié au contexte de la subduction de la plaque Atlantique jusqu’aux études locales où président des considérations portant sur l’évolution d’un édifice voire d’un bassin versant. Notre équipe a acquis une solide expérience dans l’étude de la Guadeloupe, initiée dès 2000 par des travaux sur le sud de Basse Terre (Carlut et al., 2000). Le canevas géochronologique a ensuite été largement enrichi lors de la thèse d’Agnès Samper, apportant un cadre structurel de la mise en place du volcanisme de cette île (Samper et al., 2007 ; Samper et al., 2009). Disposant d’un âge de fin d’activité pour ces unités majeures, nous avons cherché à quantifier l’intensité de l’expression de ce volcanisme. Nous nous sommes efforcés de rechercher dans la topographie de Basse Terre les traces de cette histoire complexe. En particulier, l’étude des différents emboitements des massifs au regard de leur âge respectif a permis de proposer l’existence de plusieurs loupes d’effondrement de flancs, l’âge desquels étant encadrés par nos datations. De cette étude, est également ressortie l’importance de l’érosion régressive que nous avons contrainte au premier ordre. La dynamique de la migration spatiale du volcanisme a ensuite pu être corrélée au cadre tectonique.

Modèle quantitatif d’évolution de la Chaine Axiale (Lahitte et al., 2012). Les âges sont ceux de la fin des phases (Samper et al., 2007 ; 2009). Chaque stade de construction a été reconstruit à partir de l’interpolation des éléments de surfaces topographiques actuelles. Ces surfaces sont considérées, après analyse, comme étant significatives de la surface maximale atteinte par le dit stade de construction. L’objectif actuel est, à partir de nouvelles contraintes géochronologiques de compléter et préciser ce scénario évolutif pour ensuite quantifier les volumes érodés aux différents massifs volcaniques et à quels taux.

• Le volcanisme de la Martinique
• Thèse d'Aurélie Germa : participations à 3 articles, un 4ème en cours de rédaction

   

   

• Le volcanisme de l'île de la Réunion
• Thèse de Tiffany Salvany (Co-directeur de thèse)

   

  L’île de la Réunion est soumise à un climat tropical humide et à une pluviométrie record. Ceci exige d’intégrer le facteur érosion dans toute tentative de description de son évolu-tion volcanique. Notre étude de l’évolution morpho-structurale du Piton des Neiges s’est basée sur une approche pluridisciplinaire : L’étude de la géomorphologie a exploité l’imagerie (satellitale et aérienne), la topographique (MNT), les datations, les observa-tions de terrain et de la modélisation. A partir du MNT, nous avons procédé à l’extraction de nombreuses données annexes, l’analyse desquelles apporte des informations complémentaires aux datations quant à l’évolution morphologique et morphométrique des surfaces volcaniques. Certaines unités (malgré les efforts cumulés de génération de chercheurs) ne sont toujours pas datées. Aussi nous avons cherché à caractériser l’état de leur surface structurelle afin d’y rechercher des éléments indicateurs de leur âge par analogie entre les paramètres morphométriques des massifs datés.

  Exemple d’analyse morphométrique des pentes du secteur nord-est du Piton des Neiges et histogrammes de fréquences des pentes de chaque massif (Salvany et al., 2012)

   

  A partir de ces approches, la chronologie des nombreuses inversions de reliefs a pu être caractérisée. Leur agencement montre une migration des emboîtements successifs des zones externes du volcan vers les zones internes. La mise en place des laves est contrô-lée au premier ordre par la position des anciens massifs et le réseau hydrographique. Ces emboitements volcaniques montrent l’importance de l’érosion comme facteur do-minant l’évolution morphologique. Les massifs les plus anciens ont une altitude moyen-ne faible, ce qui est conforme à leur position distale par rapport au centre éruptif, et des pentes fortes, signe que l’érosion est à l’œuvre depuis longtemps. Cette altitude croit en-suite avec la jeunesse des massifs, les plus jeunes d’entre eux ayant une altitude moyen-ne supérieure à 1400 mètres.

  Schémas de l’évolution morpho-structurale des principaux stades du Pi-ton des Neiges (Salvany et al., 2012) : A) Premier stade bouclier du Piton des Nei-ges (PN1, 1.4–0.95 Ma). B) Second stade bouclier du Piton des Neiges (PN2, 600–430 ka). C) Construction du Strato-volcan (PN3, 340–180 ka). La morphologie modélisée suppose que l’activité vol-canique prédomine sur l’érosion des pa-léo-cirques de Salazie et des Marsouins. D) Stade tardif de construction (PN4, 140–70 ka). E) Morphologie actuelle.

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• Quantification volumétrique de l'explosion caldérique majeure holocène : Le volcan Samalas en 1257 (Lavigne et al., 2013).

La géomorphologie actuelle du volcan de Rinjani sur l’île de Lobok (Indonésie) révèle les traces d’un démantèlement lié à une forte explosion caldérique. La grande "fraicheur" des surfaces qui ont été affectées par cette explosion dans une région où le climat tropical confère à l’érosion un très fort pouvoir érosif tend à prouver que cette éruption majeure est de période historique. Compte tenu de l’impact que peuvent avoir les éruptions majeures sur les variations climatiques [(e.g. Hansen et al., 1978 ; Robock, 2000 ; Soden et al., 2002), il est important de quantifier le volume de matériaux mobilisés par cette explosion afin de modéliser l’ampleur de l’éruption pour le cas échéant rechercher des corrélations avec les marqueurs des enregistrements téphro-stratigraphiques et/ou climatiques (Lacasse, 2001).

Disposant de la carte bathymétrique du lac occupant l’actuel cratère d’explosion, le premier travail a consisté à fusionner le MNT ASTER à 30 mètres et ces données bathymétrique pour réaliser un MNT de la surface de la Terre solide. L’extraction des points de la surface actuelle représentatifs de la surface initiale (en blanc et violet sur la figure ci-dessous) a permis de reconstruire l’ensemble de l’édifice antérieurement à son démantèlement (trame noire). Nous en déduisons une hauteur maximale pour les deux sommets de 4200 ± 100 m (vieil édifice à gauche) et 4000 ± 50 mètres (Rinjani senso stricto à droite sur la figure). On voit sur la figure (qui regarde vers le nord) que le Rinjani a vu son flanc ouest s’effondrer à la suite de l’explosion caldérique par glissement gravitaire du fait de l'appel au vide et de la décharge de la contrainte lithostatique latérale. Le climat humide a rapidement installé un lac (le rivage duquel est marqué par un trait bleu) sur l’ensemble de la surface de la caldeira. Depuis un petit cône basaltique s’est construit dans l’est de la dépression repoussant les rives du lacs vers l’ouest et lui donnant sa forme actuelle en croissant. L’ampleur du matériel déplacé est perceptible au travers des traits noirs verticaux qui relient la surface de la Terre solide actuelle à la surface pré-explosion du volcan.

 

 

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• Développements analytiques

La nécessité d’extraire de la topographie un signal géomorphologique souvent de second ordre a imposé le développement de techniques d’analyse et de modélisation des structures volcaniques inédites. L’originalité de cette recherche porte donc autant sur les approches géomorphologiques du relief volcaniques que sur les méthodologies et les algorithmes de traitement mis au point afin de modéliser au mieux les reconstructions et l’évolution de ces surfaces volcaniques.

Application à la Martinique de la méthode d’extraction des points du MNT significatifs de l’altitude maximale d’un stade de construction : A) de nombreux points sont extraits car le stade est récent (~9 ka) et sa surface relativement bien conservée ; B) Stade ancien (> 300 ka) pour lequel peu de points essentiellement sur les lignes de crêtes sont extraits.

 

Afin de définir l’évolution des reliefs volcanique, une approche originale d’analyse des surfaces topographiques a été développée, à l’aide des outils qu’offrent désormais les systèmes d’informations géographiques. Ce travail a requis, le développement d’un algorythme spécifiquement dédié à cette problématique de la reconstruction de surface volcanique (ShapeVolc). Un premier outil d’analyse a été développé sous l’environnement de programmation Labview. Les bases de ce travail ont déjà été posées lors des études portant sur la mor-phologie des volcans des îles de Basse Terre (Lahitte et al., 2012), de la Réunion (Salvany et al., 2012), de Lombok (Lavigne et al., 2013) et de la Martinique (Germa et al., in prep.). Cet outil permet (voir les différents cadres rouges de la figure ci-dessous) :

1) L’affichage et la sélection géographique des points retenus comme significatifs de la surface volcanique supérieure utilisée pour la future modélisation. On peut définir les différents secteurs (croix colorées) voire au besoin exclure certains des 5 secteurs.

2) Sélectionner les points par des paramètres morphométriques (valeur de pente et/ou d’altitude) et géologiques (appartenance à telle ou telle unité).

3) Sélecter le type de profil à modéliser et les paramètres d’incertitude des points rete-nus.

4) Sélecter et définir des paramètres à optimiser (vert foncé) ou contraints (vert clair).

5) Visualiser le meilleur profil obtenu (ici une tendance exponentielle) et la projection des points retenus, l’axe des X est la distance au meilleur centre modélisé (correspon-dant au curseur rouge dans le cadre 1).

 

 

Illustrations de la méthode de calcul du retrait de l’escarpement d’Icaques de 650 ka à l’actuel. Dans les vues 3D, les courbes noires fines marquent la position initiale de la cicatrice, tandis que les lignes pointillées et les droites illustrent son retrait au cours du temps. Afin de mettre en évidence ce retrait, un voile noir transparent marque l'emplacement de la limite actuelle des bassins versants. On observera également l’évolution des surfaces érodées et son implication pour la définition des unités géologiques à cours du temps. Voir, par exemple l'évolution des volcans d’Icaques (550 ka) et du Sans Toucher (435 ka).

 

• Distribution spatio-temporelle et variabilité des taux de construction volcanique, implications géodynamiques et géochimiques

La dépression de l'Afar est l'un des meilleurs laboratoires naturels où les premières éta-pes de la déchirure continentale et le début de l'expansion océanique peuvent être étu-diés sur le terrain. La formation du rift et sa propagation ont été accompagnés par le volcanisme qui permet de dater cette évolution en Afar. La formation la plus importante, épaisse de 1 à 1,5 km d'épaisseur est la série à dominante basaltique dite stratoïde qui couvre plus des deux tiers de la dépression et dont les âges courent de 3.3 à 0.5 Ma (Lahitte et al., 2003a). Une alternance s’opère donc entre des phases longues d’environ 1 Ma de quiescence volcanique, marquées surtout par la déformation tectonique et des phases plus courtes (quelques centaines de ka) où le volcanisme y est particulièrement intense (Lahitte et al., 2003b).

L’exceptionnelle aridité de la dépression Afar, confère à cette région une lisibilité extra-ordinaire de sa topographie. On y voit, enregistré dans son relief, toute l’évolution plio-quaternaire du volcanisme mais aussi de la tectonique qui ont marqué l’extension pro-gressive de cette région dans le contexte géodynamique si particulier d’un océan en de-venir. L’accès à la topographie numériques SRTM, a permis l’analyse géomorphologique approfondie du volcanisme Afar. L’ampleur volumétrique et le rôle que jouent les vol-cans centraux différenciés dans les phases plio-quatenaires de la déchirure continentale menant à l’océanisation progressive de cette dépression ont été mise en avant. Ce travail fut mené depuis l’échelle régionale de la ride jusqu’à l’échelle locale d’un segment de rift, dans le cadre structurant du modèle de propagation des rifts proposé (Manighetti et al., 1998 ; Tapponnier et al., 1990).

Les nouvelles données géomorphologiques et géochronologiques ont été utilisés pour décrire l'interaction spatiale et temporelle entre le volcanisme et le rifting dans la dé-pression Afar. L'observation la plus importante est l'apparition systématique de l'érup-tion d'un volcan central différencié antérieurement à la mise en place d'une zone de rif-ting en propagation qui marque la phase mature de l’extension. La géométrie et la virga-tion des zones de failles montre qu’elle semble avoir été «capturées» par les volcans cen-traux dans lequels l'activité basaltique fissurale future génèrera une croute de nature de plus en plus océanique. Ces volcans agissent comme des cibles ou des facilitateurs de la propagation future, favorisant la migration des segments de rift vers les zones les plus faibles créés par ces volcans et leurs réservoirs magmatiques crustaux associés. A l’aplomb des volcans centraux les contraintes mécaniques sont plus concentrées et ainsi la fracturation favorisée. Le système de failles est donc dévié vers ces volcans centraux, définissant ainsi des directions préférentielles de fracturation. Ainsi, les massifs diffé-renciés jouent un rôle dans la mise en place des segments de rifts équivalent à celui que jouent les points chauds lors de la mise en place des déchirures continentales.

Carte géologique et tectonique de l'Afar central (Lahitte et al., 2003a). A) Trap éthiopiens B) Volcanisme anté stratoïde ; C) Granites et rhyolites anté stratoïde ; D) à F) volcanisme stratoïde prépoce, intermédiare et tardif ; G) volcan centraux différenciés pré-rift ; H) volcanisme basaltique des rifts actifs ;I) sédiments ; J) Axes volcano-tectoniques actifs
Relation spatio-temporelle entre les activités centrales différenciés (grands triangles gris) et basaltiques (petits triangles noirs) le long des segments de rift liés à la propa-gation de la ride d'Aden (Lahitte et al., 2003b)
Structures morpho-tectoniques associées à la propagation de la ride d’Aden. Le fond cartographique représente la direction de plus grande pente. L'encadré représente la pente et l'éclaircissement en fonction de la direction et de l'intensité de cette pente. Les secteurs de couleur vives et uniformes représentent les miroirs de failles (modifié d'après (Lahitte et al., 2003b)

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Research summary:

My research activity relates to the evolution of volcanic morphologies and their links with the geodynamic context of building. I carry out a multi-field approach that associates morphological analysis, absolute chronology (K-Ar ages), relative one (space images and numerical topography analyzes), erosion process model, tectonics.

Geomorphological evolution of volcanic field: quantitative and qualitative approaches.

These studies are based on the exploitation of DEM and K-Ar ages correlated with geological observations of ground and satellite and air images. I establish treatments allowing qualitative and quantitative geomorphological approaches. I have developed algorithms allowing locating eruptive vents of the volcanic units and primary volcanic surface reconstructions by the way of structural slopes and DEM analyses. Extraction from the DEM of the cells identified as remains of the previous volcanic structures (where they are rather numerous and constitute sufficiently preserved structural surfaces) allow modeling the successive geomorphological states of volcanoes. To do that, models of quantification of the volcanic rates of construction and dismantling of the structures are developed. This allows a measurement of eroded volumes and an estimate of the erosion rates based on the chronological constraints.

Absolute Chronology.

The absolute chronology in volcanic field is essential to constraints the relative chronology obtained by geomorphological analyses. K-Ar ages constitute the major contribution of my samples analytical work, exploiting the various techniques developed in our laboratory. By correlating ages with topographic data, I constrain both rates of growth and erosion of volcanic unit in many fields over the world and correlate intensity of the volcanic activity to the geodynamical context.

Importance of acid volcanism in continental rifting

I study in Afar the temporal and space relations between the structures of active rifts and the composite volcanoes. Complex interactions during the volcanic buildings is studied by volcano-structural analysis and the analysis of the geochemical time and space evolutions. As basaltic volcanism of rift segments, the location of the silicic central volcanoes in time and space follows a logical distribution. Chronologically these volcanoes precede the basaltic fissure-fed lavas flows of the axial rifts that mark the mature phase of the extension. The alternation of the volcanic activity between the central volcanoes and the rift segments is interpreted as a consequence of a variation of the rate of extension during time related to the pulsated character of deformation.

 

Publications dans des revues avec comité de lecture

 

Principaux enseignements :

Responsable du module d’enseignement « Systèmes d’Informations Géographiques » de Master 1ère année (30h)

Responsable du stage de terrain « Évolutions géomorphologiques des reliefs en contexte volcanique » de Master 1ère année (30h)

Responsable du module d’enseignement « Géomorphologie volcanique et risque gravitaire » de Master 2ème année (30h)

Cours d'Introduction aux Sciences de la Terre « Terre primitive, Terre actuelle : variété des approches » , en Licence 1ère année (25h)