Caldéra

Une caldeira (du portugais caldeira, qui signifie « chaudron ») est un terme de volcanologie. En français, les deux orthographes, « caldeira » ou « caldera » (sans accent), sont autorisées.

Sommaire 1 Définition 2 Formation par vidange de la chambre 3 Formation par altération hydrothermale 4 Annexes 4.1 Articles connexes 4.2 Liens externes

Définition

Une caldeira est une vaste dépression, circulaire ou elliptique, à fond plat et située au sommet de certains grands édifices volcaniques. Cette dépression est limitée par une falaise verticale et circulaire (ou elliptique). La falaise (Ring fault en anglais ou faille en anneau), qui confère à la caldeira sa structure impressionnante, peut atteindre plusieurs centaines de mètre de hauteur. La taille des caldeiras peut varier de quelques kilomètres de diamètre, comme celle du volcan Pinatubo dans les Philippines (2,5 km de diamètre) à la centaine de kilomètres de diamètre, comme celle du lac Toba sur l’île de Sumatra (80 km × 30 km) (Lipman, 2000) ou encore celle de l'Olympus Mons, le plus grand volcan martien (80 km x 60 km). Morphologiquement, la ressemblance avec un chaudron peu profond et de taille monstrueuse est, de fait, frappante.

Il est important de signaler qu’une caldeira n’est pas un cratère, tant morphologiquement que génétiquement. Le cratère est une dépression en forme d’entonnoir, de taille réduite, et résultant de l’action combinée et simultanée de l’éjection du magma à partir d’une cheminée volcanique et de la retombée de ce même magma tout autour de ce point central.

De nombreuses caldeiras se remplissent d'eau en captant des rivières ou en recueillant l'eau de pluie et forment ainsi des lacs comme celui de Crater Lake (États-Unis) ou de l'Askja (Islande). D'autres sont partiellement ouvertes sur la mer et forment des baies ou des golfes comme à Santorin (Grèce), à Rabaul (Papouasie-Nouvelle-Guinée), aux Champs Phlégréens (Italie), etc.

Formation par vidange de la chambre

Le modèle classique de formation d’une caldeira est intimement lié à une éruption volcanique. La chambre magmatique située à quelques kilomètres de profondeur peut, à l’occasion de grandes éruptions, se vider partiellement, ou même en totalité. Le toit rigide de la chambre magmatique, c’est-à-dire le sommet du volcan, s’effondre alors dans celle-ci, formant cette vaste dépression à fond plat (Lipman, 1984, Gudmundsson, 1988). L’effondrement se produit après la formation de la ring fault (ou « faille en anneau »). On considère généralement (Piston model en anglais ou modèle en piston) que le toit de la chambre s’effondre le long de cette faille circulaire, tel un disque plus ou moins cohérent. L'une des caractéristiques de ce modèle est que l'effondrement est instantané et est censé se produire en quelques heures. Il s'agit d'un événement cataclysmique de grande ampleur.

Ce modèle marche bien et a été démontré par de minutieuses études de terrain, comme pour le Kilauea à Hawaii (Holcomb et al., 1988) ou les volcans explosifs (Druitt and Sparks, 1984). De très nombreuses études expérimentales ont également permis sa validation mécanique (Komuro 1987 ; Marti et al. 1994 ; Roche et al. 2000 ; Acocella et al., 2000 ; Troll et al., 2002). Parfois, le modèle est adapté car il n'est pas toujours aisé de réaliser en une fois des éruptions aussi importantes. C'est le cas des caldeiras des Galapagos qui sont considérées comme résultant d'une série d'éruptions espacées dans le temps mais sans que la chambre magmatique ne soit rechargée entre-temps, ce qui a finalement conduit à l'effondrement du toit (Munro and Rowland, 1996).

Une des conséquences de ce modèle est que la taille de la caldeira est directement fonction de la chambre magmatique qui s’est vidée, et reflète ainsi la taille de celle-ci. Pour les très grandes caldeiras, ceci implique à la fois des chambres magmatiques gigantesques et des volumes de produits volcaniques émis lors de l'éruption tout à fait considérables. Par exemple, on estime que la formation de la caldeira du Toba, il y a 75 000 ans, s’est accompagnée de l’émission de produits volcaniques d’un volume de l’ordre de 1 500 km³, ce qui fait de cette éruption l’une des plus importantes jamais enregistrées sur Terre (Lipman, 2000).

Si des variantes à ce modèle d’effondrement en piston cohérent (Piston model) existent (George Walker, 1984), tous les autres modèles sont également fondés sur la vidange de la chambre magmatique sous-jacente et l’effondrement de la partie supérieure du volcan dans celle-ci.

Formation par altération hydrothermale

Les très grandes caldeiras plurikilométriques des volcans boucliers (volcanisme effusif lié à un panache mantellique) sont difficiles à expliquer par le modèle classique de vidange d’une chambre magmatique sous-jacente. En effet, les prospections géophysiques ne montrent pas de chambre de cette taille sous ce type de volcans, qui sont en éruption quasi permanente et n’ont que des chambres de dimensions relativement modestes (ex. Piton de la Fournaise à l’Ile de la Réunion).

Des études récentes ont montré que le cœur des édifices volcaniques était profondément altéré par les circulations de fluides hydrothermaux et qu’au cours du temps, il se transformait lentement en argile et en sulfate (type gypse). Cette transformation amène un changement du comportement mécanique de l’édifice volcanique et la constitution de zones de faiblesse. Des études ont montré que cette altération était responsable d’effondrement et de glissement de flancs assez spectaculaires (Siebert, 1984, Lopez and Williams, 1993, Carasco-Nunez et al., 1993 ; Frank 1995, Day, 1996 ; Voight and Elsworth 1997 ; Iverson et al., 1997 ; van Wyk de Vries et al. 2000 ; Reid et al. 2001).

Olivier Merle et ses collègues du Laboratoire Magmas et Volcans de Clermont-Ferrand ont récemment montré expérimentalement que le fluage sous son propre poids d’un cœur de volcan très altéré et profondément argilisé conduisait en surface à la formation d'une structure caldérique, morphologiquement en tout point semblable à la caldeira du modèle standard (voir ci-dessus). Cependant, contrairement au modèle standard de vidange d'une chambre magmatique, la formation d'une caldeira de ce type n'est plus un phénomène cataclysmique mais un phénomène lent. On estime qu'il faut plusieurs milliers, voire plusieurs centaines de milliers d'années, pour altérer le coeur d'un grand édifice volcanique. La formation de la caldeira proprement dite, qui commence quand le coeur argilisé est capable de fluer sous propre poids, peut prendre quant à elle plusieurs centaines d'années.

L'une des différences majeures de ce modèle par rapport au précédent est que la taille de la caldeira est cette fois-ci fonction de la taille du système hydrothermal et non plus de la chambre magmatique, ce qui résout le problème de taille de caldeira du modèle précédent pour les volcans boucliers. D'autre part, la formation d'une caldeira n'est plus nécessairement liée à une éruption.

Ce modèle a été appliqué à la formation de la caldeira de l’Enclos au Piton de La Fournaise (Merle and Lénat, 2003) et à la caldeira de l’Ile de Nuku Hiva en Polynésie française (Merle et coll., 2006).

Annexes

Articles connexes

• Cratère volcanique
• Volcan

Liens externes

• Site du Laboratoire Magmas et Volcans de Clermont-Ferrand

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