Volcan Axial dans le Pacifique oriental : formation de la croûte par injection de sills magmatiques au sein d’un empilement de coulées de lave

On observe couramment, sur les grands volcans tels que l’Etna, à Hawaï ou en Islande, de vastes coulées de lave rouges s’étendant sur plusieurs dizaines de kilomètres depuis le cratère. Ces laves sont d’abord stockées dans un réservoir magmatique situé sous la surface, qui traverse la croûte et alimente les éruptions via de fins dykes verticaux. On pensait ainsi que la croûte supérieure se formait principalement par l’empilement de coulées de lave subhorizontales à la surface et par l’intrusion de ces dykes verticaux.

Grâce à une technique d’imagerie sismique tridimensionnelle, les chercheurs montrent au contraire que les coulées de lave déposées à la surface s’enfoncent progressivement vers le grand réservoir magmatique sous-jacent. Elles sont ensuite recoupées par des sills de magma injectés latéralement le long des couches de lave. L’absence de séquences de dykes verticaux suggère que la croûte supérieure dans ce type d’environnement se forme essentiellement par l’interaction entre coulées de lave et sills magmatiques. Lorsque les coulées, riches en eau, entrent en contact avec le magma du réservoir, elles peuvent être partiellement refondues, remobilisées puis de nouveau émises à la surface sous forme de laves capables de parcourir de longues distances.

Les données de sismique réflexion 3D utilisées dans cette étude ont été acquises en 2019 à bord du navire sismique américain R/V Marcus Langseth, au niveau du volcan Axial dans l’océan Pacifique oriental. Situé à l’intersection de la dorsale Juan de Fuca — à expansion intermédiaire — et du point chaud de Cobb, le volcan Axial possède un sommet aplati marqué par une caldeira en forme de fer à cheval de 8 km sur 3 km, située à environ 1,4 km de profondeur sous la surface de l’océan (figure 1). Il abrite plusieurs champs hydrothermaux et a connu trois éruptions au cours des dernières décennies, en 1998, 2011 et 2015 ; une nouvelle éruption est considérée comme imminente. Lors de la campagne océanographique de 2019, le navire était équipé de quatre streamers de 6 km de long espacés de 150 m et de deux sources sismiques séparées de 75 m, permettant d’acquérir une bande d’imagerie de 300 m de large à chaque passage. La zone totale couverte par l’étude atteint 40 km sur 16 km.

Le volume sismique 3D obtenu révèle la présence de couches de coulées de lave (en jaune) depuis le plancher océanique jusqu’à environ 4 km de profondeur (figure 2). Ces couches plongent vers un domaine magmatique contenant des sills (en rouge), correspondant à un vaste réservoir magmatique. Le toit de ce réservoir marque la limite lithosphère–asthénosphère (LAB). L’enfoncement progressif des coulées de lave s’explique par la déflation du réservoir magmatique lors des grandes éruptions, combinée à l’empilement continu de nouvelles coulées. Contrairement au modèle classique, la séquence de dykes verticaux est absente : le magma est injecté sous forme de sills fondus le long des plans de stratification des coulées de lave. Par ailleurs, ces couches, initialement formées au fond de l’océan, se retrouvent directement en contact avec le réservoir magmatique chaud. Comme elles contiennent de l’eau, elles peuvent être facilement refondues et se mélanger au magma du réservoir, modifiant ainsi la chimie et la viscosité des laves émises lors des éruptions.

Cette étude menée sur le volcan Axial ouvre de nouvelles perspectives sur la dynamique des réservoirs magmatiques crustaux, leurs interactions avec les roches de la croûte et les processus éruptifs. Elle pourrait également permettre de mieux comprendre le fonctionnement d’autres systèmes volcaniques majeurs, comme celui de l’Islande. L’expérience a été financée par la National Science Foundation des États-Unis, tandis que la recherche a été menée à l’IPGP avec le soutien partiel du Conseil européen de la recherche (ERC).