Evolution du rift du Massif central : distribution spatio-temporelle du volcanisme

International audienceThe Massif Central area is the largest magmatic province of the West-European Rift system.The spa­tial-temporal distribution of Tertiary-Quaternary volcanism in the Massif Central, France, shows that three magmatic phases can be defined, each of them characterized by different volumes and different locations. The first event, termed the pre-rift magmatic event, is very scarce and restricted to the north of the Massif Central. It is suggested that this could result from lithospheric bending of the European lithosphere ahead of the incipient Alpine chain during the Pa­leocene. The second event, termed the rift-related magmatic event, is located in the north of the Massif Central only and is spatially connected with zones of high crustal thinning (i.e. the Limagne graben). It immediately follows Oligo­cene graben formation and associated sedimentation, and is represented by more than 200 scattered monogenic edifices. This second event can be attributed to partial melting as a consequence of lithospheric thinning that affected the north of the Massif Central during the rifting event. The lack of volcanism in the south during the same period of time is probably related to the very slight lithospheric thinning during the Oligocene. The third event, termed the major magmatic event, started first in the South in the upper Miocene at about 15 Ma, well after the end of the sedimentation. lt is unrelated to any extensional event. This major magmatic event reached the North of the Massif Central at about 3.5 Ma, following a pause in volcanism of about 6 Ma after the rift-related magmatic event. These two episodes of the ma­jor magmatic event are spatially and temporally associated with the two main periods of uplift, suggesting a common origin of volcanism and uplift processes. The major magmatic event can be attributed to late thermal erosion of the base of the lithosphere above a mantle diapir, as suggested by seismic tomography data. This general magmatic evolution drawn from data at the Massif Central scale may apply to the Eger graben as well, as the three magmatic events described in this study (pre-rift magmatic event, rifting event and post-Miocene volcanic event) are also reported in the literature. This suggests that a single cause should explain the formation of the entire western European rift surroun­ding the Alpine mountain belt.Le rift Ouest-européen correspond à un épisode d'extension lithosphérique qui s'est produit de )'Eocène supérieur jusqu'au Miocène inférieur. La direction d'extension est globalement perpendiculaire au front de la chaîne alpine et s'exprime, d'est en ouest, par la formation du graben de l'Eger, du graben du Rhin et des fossés d'effondrement du Massif central. Le Massif central est la plus importante province magmatique liée à cet épisode de rifting. Le volcanisme de cette province peut être séparé en trois épisodes successifs. 1. Episode de magmatisme pré-rift. Cet épisode correspond à 15 localités répertoriées presque exclusivement dans le nord du Massif central et datées du Paléocène à la fin de !'Eocène. 2. Episode de magmatisme syn-rift. La sédimentation oligocène s'est effectuée à un niveau proche de celui de la mer et pratiquement sans manifestation volcanique. A l'échelle du rift (i.e. de la Bresse à la Limagne), l'extension symétrique de l'Eocène supérieur à l'Oligocène moyen est devenue asymétrique à partir de l'Oligocène supérieur. L'épisode de magmatisme a débuté à ! 'Oligocène supérieur et s'est principalement développé au Miocèneinfërieur, pendant une quinzaine de millions d'années. Il est spatialement lié aux zones d'amincissement crustal maximal(fossé de la Limagne) et est absent de la partie sud du Massif central où les récentes données géophysiques montrentque l'amincissement crustal est négligeable. 3. Episode de magmatisme majeur: Cet épisode a démarré au sud du Massif central près de 15 Ma d'années après la fin de la sédimentation oligocène. C'est l'épisode majeur avec le développement des grandes provinces magmatiques du Cantal, du Velay ou de l'Aubrac. Une reprise plus tardive du volcanisme se produit dans la partie nord du Massif central, près de 6 Ma après la fin de l'épisode précédent dit syn-rift. Dans son ensemble, cet épisode majeur est caractérisé par deux pics d'activité: de 9 à 6,5 Ma uniquement au sud du Massif central, puis de 3,5 à 0,5 Ma tant au nord qu'au sud du Massif central.L'analyse du MNT permet de montrer que le nord du Massif central présente un champ de structures dominé par des failles nord-sud. Il s'agit de failles d'âge varisque réactivées en faille normale pendant l'extension et la création des fossés d'effondrement. L'étude des profils d'équilibre des rivières au passage de certaines failles ainsi que l'âge des coulées de lave actuellement en position de reliefs inversés montrent que le soulèvement dans cette partie nord a débuté il y a environ 3 Ma et se poursuit actuellement. Au sud, le MNT révèle un champ de failles dominant orienté N 135°E, souligné en particulier par des alignements volcaniques tels l'Aubrac, le Velay ou le Dcves. Cette direction majeure a été acquise pendant le soulèvement de la partie sud qui a débuté il y a environ 10 Ma, bien avant le soulèvement plus récent de la partie nord. Ce soulèvement s'est ralenti entre 5,5 Ma et 3-3,5 Ma pour redevenir très actif depuis cette période jusqu'à l'actuel, comme dans la partie nord. L'épisode magmatique pré-rift, extrêmement limité en volume, est attribué à une flexure de la lithosphère européenne au moment des premières compressions alpines pendant le Paléocène. Cette flexure de la lithosphère est encore apparente à l'échelle de la France grâce aux données de géophysique ou de géomorphologie dans le Massif central el le Morvan. L'épisode magmatique syn-rift, restreint au nord du Massif central. est clairement associé aux zones d'amincissement crustal maximal résultant principalement de l'extension asymétrique E-W oligocène supérieur à miocène inférieur. Cet amincissement lithosphérique permet d'expliquer, par décompression du manteau, le faible taux de fusion partielle nécessaire pour rendre compte du volcanisme, localisé au nord. de !'Oligocène supérieur au Miocène inférieur. L'orientation N-S dominante observée sur le MNT est un héritage de cette période d'extension E-W où les failles sub-méridiennes d'âge varisque ont été réactivées. L'épisode magmatique majeur est caractérisé par deux pics d'activité qui sont synchrones des deux périodes de soulèvement maximal: au sud vers 10-5,5 Ma, puis au nord et au sud à partir de 3-3,5 Ma. Au sud. la radiographie de la croûte et de la limite lithosphère-asthénosphère obtenue par sismique classique et tomographie sismique montre que le manteau lithosphérique a subi un très fort amincissement tandis que l'épaisseur de la croûte est quasi-normale. L"anomalie thermique définie sous la lithosphère dans cette partie sud témoigne alors d'une érosion thermique de la base de la lithosphère, responsable du soulèvement isostatique et du premier pic d'activité magmatique. Un second épisode d'érosion thermique à la base de la lithosphère. plus diffus mais réparti du nord au sud, expliquerait la seconde période de soulèvement isostatique ainsi que le second pic d'activité magmatique enregistrés au nord et au sud à partir de 3.5 Ma

The formation of the West European Rift; a new model as exemplified by the Massif Central area

International audienceIn this paper, we use mainly field data from the Massif Central area, which have been presented in a com­panion paper (Michon and Merle, 2001), to discuss the origin and the evolution of the West European Rift system. It is shown that the tectonic event in the Tertiary is two-stage. The overall geological evolution reveal a tectonic paradoxe as the first stage strongly suggests passive rifting, whereas the second stage displays the first stage of active rifting. ln the North, crustal thinning, graben formation and sedimentation at sea level without volcanism during the Lower Oligo­cene, followed by scattered volcanism in a thinned area during Upper Oligocene and Lower Miocene, represent the classical evolution of a rift resulting from extensional stresses within the lithosphere (i.e. passive rifting). In the South, thinning of the lithospheric mantle associated with doming and volcanism in the Upper Miocene, together with the lack of crustal thinning, may be easily interpreted in terms of the first stage of active rifting due to the ascent of a mantle plume. This active rifting process would have been inhibited before stretching of the crust, as asthenospheric rise associated with uplift and volcanism are the only tectonic events observed. The diachronism of these two events is emphasized by two clearly distinct orientations of crustal thinning in the north and mantle lithospheric thinning in the south. To understand this tectonic paradox, a new model is discussed taking into account the Tertiary evolution of the Alpine chain. lt is shown that the formation of a deep lithospheric root may have important mechanical consequences on the adjacent lithosphere. The downward gravitational force acting on the descending slab may induce coeval exten­sion in the surrounding lithosphere. This could trigger graben formation and laguno-marine sedimentation at sea level followed by volcanism as expected for passive rifting. Concurrently, the descending lithospheric flow induces a flow pattern in the asthenosphere which can bring up hot mantle to the base of the adjacent lithosphere. Slow thermal ero­sion of the base of the lithosphere may lead to a late-stage volcanism and uplift as expected for active rifting

Mode of lithospheric extension: Conceptual models from analogue modeling

International audienceComparison of analogue experiments at crustal and lithospheric scale provides essential information concerning the mode of deformation during lithospheric extension. This study shows that during extension, lithospheric deformation is controlled by the development of shear zones in the ductile parts. At lithospheric scale, the global deformation is initiated by the rupture of the brittle mantle lithosphere. This failure generates the formation of conjugate and opposite shear zones in the lower crust and the ductile mantle lithosphere. The analysis of the internal strain of the ductile layers suggests that the two opposite shear zones located below the asymmetric graben in the lower crust and the ductile mantle lithosphere prevail. Experiments show that from a similar initial stage, the relative predominance of these shear zones originates two different modes of deformation. If the crustal shear zone prevails, a major detachment-like structure crosscuts the whole lithosphere and controls its thinning. In this model named the simple shear mode, the resulting geometry shows that crustal and lithospheric thinning are laterally shifted. If the mantle shear zone predominates, the lithospheric thinning is induced by the coeval activity of the two main shear zones. This process called the necking mode leads to the vertical superposition of crustal and mantle lithospheric thinning. Applied to natural laboratories (West European rift, Red Sea rift and North Atlantic), this conceptual model allows a plausible explanation of the different geometries and evolutions described in these provinces. The North Atlantic and the Red Sea rift systems may result from a simple shear mode, whereas the necking mode may explain part of the evolution of the West European rift especially in the Massif Central and the Eger graben

Discussion on "Evolution of the European Cenozoic Rift System: interaction of the Alpine and Pyrenean orogens with their foreland lithosphere" by P. Dèzes, S.M. Schmid and P.A. Ziegler, Tectonophysics 389 (2004) 1–33

International audienceThe evolution and origin of the European Cenozoic Rift System (ECRIS) is a matter of debate for several decades (e.g., Tapponnier, 1977; Bergerat, 1987; Ziegler, 1992; Michon et al., 2003). This rift system was characterized by the development of several grabens in the Pyrenean and Alpine forelands and by a magmatic activity starting at the K/T transition. Dèzes et al. (2004) propose an additional reappraisal and interpret the ECRIS formation and the associated volcanism as resulting from the Alpine and Pyrenean collision and the emplacement of a mantle plume at depth below western Europe. Our remarks on this paper will be focused on three different topics which make the final conclusions of Dèzes et al. (i.e., origin of the extension in the ECRIS) highly questionable

DEM-based model for reconstructing volcano's morphology from primary volcanic landforms

International audienceVolumes of magma intruded in and emitted by volcanoes through time can be estimated by reconstruction of vol-cano's morphology and time sequence. Classical approaches for quantifying magma volumes on active volcanoes are based on the difference between pre-and post-eruption digital elevation models (DEM), but this kind of approach needs the pre-eruptive surfaces to be available. For old and eroded volcanoes these surfaces are poorly constrained. However, because the geometrical form of many volcanic edifices exhibits a remarkable symmetry we propose, here, a new approach using primary volcanic landforms in order to estimate the amount of the both erupted and eroded material and to locate eruptive centers. A large fraction of composite volcanoes have near constant slope on their flanks and a form that is concave upwards near their summits. But many phenomena can lead to non-symetrical edifices and complex morphologies can result, for example from parasitic centers of volcanism on the flanks, from alternation of short effusive and explosive construction phases, from flank or caldera collapses, or from glacial and other types of erosion. In this study we propose that, on the first order approximation, complex morphologies can be modeled by piling regular cones. In this model, cones centers and slopes are derived by fitting primary volcanic landform with a linear function :elevation=f(distance from center). Such an approach allows to estimate both errors on location of the eruptive center and on the volume of the resulting cones. This model can then be used for quantifying volume of erupted and eroded material, and for quantifying catastrophic events as giant landslides or flank collapse. This approach is tested on four different active volcanoes : Mount Mayon (Philippines), Mount Fuji (Japan), Mount Etna (Sicily) and Mount Teide (Canary Island) to estimate errors in volume between modeled and actual edifices. It is then used on volcanoes of La Réunion hotspot to reconstruct the Piton des Neiges and Piton de la Fournaise volcanoes at its different stages of growing

Apport de l'analyse multi‐échelle dans la compréhension des processus géologiques:application aux rifts continentaux et aux volcans boucliers océaniques

Ce mémoire synthétise mes travaux de recherche réalisés depuis 1997, date du début de ma thèse. Il présente successivement les deux thématiques que j'ai pu développer en mettant en place une approche multi‐disciplinaire, multi‐ échelle et qui intègre analyse de cas naturels et modélisation des processus géologiques. Comprendre les processus de rifting en domaine continental a été mon premier axe de recherche. Cette thématique repose sur l'analyse du Rift Ouest Européen, formé au Cénozoïque en périphérie de la chaine alpine, et sur la modélisation des processus aux échelles du graben, de la croûte et de la lithosphère. Ces travaux ont permis de proposer un modèle global de formation du Rift Ouest Européen en tenant compte du développement contemporain des Alpes et des Pyrénées. Les modèles analogiques ont mis en lumière le rôle majeur joué par l'héritage structural dans la création des grabens et des dépocentres sédimentaires. Ils ont également montré l'effet de la vitesse d'extension, du nombre de ruptures de la partie fragile de la lithosphère mantellique et des zones de cisaillement ductiles sur la déformation lithosphérique. Le second axe de recherche vise à comprendre les sources et les modalités de déformation des volcans basaltiques. L'étude s'est focalisée sur les volcans de La Réunion, dans l'Océan Indien, et plus particulièrement sur la Piton de la Fournaise, un des volcans les plus actifs au monde. Plusieurs aspects ont été analysés conjointement: la déformation co‐éruptive et son impact sur la réactivation des failles pré‐existantes; l'origine et la dynamique des calderas en domaine basaltique; le rôle des structures lithosphériques dans l'évolution des édifices volcaniques. Ces différents travaux ont été réalisés en collaboration avec de nombreux chercheurs d'universités et instituts français et étrangers. D'un point de vue quantitatif, ces années de recherche ont conduit à la soutenance de trois Masters 2 recherche et à la publication de 20 articles dans des revues internationales à comités de lecture. Dans le futur, je souhaite organiser ma recherche autour de quatre projets: 1‐ Dynamique des calderas magmatiques; 2‐ Rôle du contexte géodynamique dans l'évolution des volcans basaltiques (co‐direction de la thèse de Thibault Catry); 3‐ Distribution et géométrie des injections magmatiques dans les volcans basaltiques: Implications sur la stabilité des édifices; 4‐ Evolution du Piton de la Fournaise. Les projets 1, 2 et 4 correspondent à un prolongement de la recherche déjà engagée, alors que le projet 3 est un axe nouveau. Ce mémoire présente également un curriculum vitae synthétique dans lequel je résume mon implication au sein du département d'enseignement des Sciences de la Terre de l'Université de La Réunion et les différentes responsabilités administratives que j'ai au sein du département et de l'UFR Sciences et Technologie de l'Université de La Réunion

Dynamique de l'extension continentale - Application au Rift Ouest-Européen par l'étude de la province du Massif Central

Mémoires de Géosciences Rennes, n° 99, 266 p. ISBN : 2-905532-98-XThe first part of this thesis corresponds to a reappraisal of the West European Rift (WER) exemplified by the study of the Massif Central Rift (MCR). In the Massif Central (MC), the distribution of the volcanism associated with the Cenozoic extension allows to separate three episodes: the Pre-rift Volcanism, the Syn-rift Volcanism and the Main Magmatic episodes. The Pre-rift Volcanism (Paleo-Eocene) is associated with a first period of uplift. The syn-rift Volcanism is related to the Eo-Miocene extension and the graben formation. During this period, the chronology of the events is consistent with a passive rifting evolution. The Main Magmatic episode, responsible for the main volcanic provinces, is characterised by two magmatic climax coeval with uplift periods. Such an evolution is consistent with the fust stage of an active rifting. This MCR evolution is common to the whole WER and the spatial distribution of the grabens, which is concentric to the Alps, suggests a close relationship between these two geological systems. The Eo-alpine phase (== 65 Ma) have induced a buckling of the lithosphere ahead of the moutain range and have triggered the Pre-rift Volcanism. The formation of the alpine lithospheric root might explain the passive rifting during the Oligocene, followed by the "active rifting" from the upper Miocene. The second part of this thesis is aimed to study the dynamics of the continental ex~nsion by the means of analogue models. Experiments at crustal scale show the significant role of the extension rate on the structures. Scaling the strength ratio between the brittle and ductile parts makes it possible to show that the geometry of the structures depends on the number of rupture in the brittle part of the mantle lithosphere and the extension rate. These scaled models allow to explain the difference between the Rhinegraben and MCR geometries.Ce mémoire de thèse est constitué d'une thématique régionale et d'une thématique générale. La première thématique correspond à une étude du Rift Ouest-Européen (ROE) par l'analyse du Rift du Massif Central (RMC). Dans le Massif Central (MC), la répartition du volcanisme associé à l'extension cénozoïque permet de différencier trois épisodes: le Volcanisme Pré-rift, le Volcanisme Syn-rift et la Phase Volcanique Majeure. Le Volvanisme Pré-rift (Paléo-Eocène) est associé à une surrection du MC. Le Volcanisme Syn-rift est lié à la période d'extension Eo-Miocène à l'origine des grabens du MC. Durant cette période, la chronologie des événements plaide en faveur d'une évolution de type rift passif. La Phase Volcanique Majeure, responsable des principales provinces volcaniques, est caractérisée par deux pics de magmatisme contem.porains de périodes de surrection sans création de graben et sans sédimentation. Cette évolution est compatible avec le stade initial d'un rift actif. Cette évolution du RMC est commune à l'ensemble du ROE et la répartition du ROE concentrique' autour des Alpes suggère un lien étroit entre ces deux systèmes géologiques. La phase éo-alpine (== 65 Ma) serait responsable du flambage litho sphérique en avant des Alpes et du Volcanisme Pré-rift. A l'Eocène, la création de la racine lithosphérique alpine permet d'expliquer le rift passif contemporain au niveau du ROE, puis le "rift actif' à partir du Miocène. La thématique générale a pour but d'étudier la dynamique de l'extension par une approche analogique. Les expériences à l'échelle crustale montrent le rôle majeur de la vitesse d'extension sur les structures formées. Dimensionnées à partir du rapport de résistance entre les parties fragile et ductile, les modèles montrent que la géométrie des structures varie en fonction du nombre de discontinuités de vitesse et de la vitesse d'extension. Appliqués à la nature, ces modèles permettent d'expliquer la différence de géométrie entre le graben du Rhin et le RMC

Multi-temporal airborne structure-from-motion on caldera rim: Hazard, visitor exposure and origins of instabilities at Piton de la Fournaise

International audiencePiton de la Fournaise is one of the world's most active and visited volcanoes. Its summit crater (Cratère Dolomieu), the main tourist attraction, underwent a major caldera collapse in 2007 and its rim is not yet stabilized. In order to assess the caldera rim instability risk for visitors, we followed its structural evolution from 2007 to 2015. Using aerial photogrammetry campaigns, we mapped the unstable sites very precisely, carried out a quantitative analysis of the temporal evolution of these instabilities, and assessed the risks for visitors. Considering the 2008-2015 period, four sites close to the crater's edge showed significant horizontal ground motion (0.5-2 m), fracture widening (average of 0.3-0.56 m) and large-scale mass wasting volumes (total of 1.8+0.1 Â 10 6 m 3). We infer two different processes at work: (1) to the west and north, toppling of the basalt units occurs after periods of fracture widening due to the combined effect of magmatic intrusions and long-term inflation/deflation cycles; (2) to the south and east, parts of the caldera rim slowly slide towards the caldera centre, with significant accelerations during periods of enhanced volcanic activity (in 2008-2010 and 2014-2015). The official observation platform is the most stable zone to overlook the Cratère Dolomieu. By contrast, the most frequently visited area of the rim (northwest) outside the official platform is also the most unstable

Storm-induced precipitation variability control of long-term erosion

International audienceErosion is often treated as a continuous process, yet it occurs through discrete events such as floods and landslides of variable magnitude and periodicity. It has also long been expected to be strongly dependent on precipitation, however, the influence of temporal rainfall variability upon long-term evolution of landscapes remains unclear. Here we report high erosion rates (0.8 to ∼10 mmyr−1over ∼70 ka) estimated from paleovolcanic reconstructions across a steep rainfall gradient on Reunion Island, which show that long-term erosion rates are influenced by the cyclone-induced variability of precipitation. Geostatistical analysis of 30 years of daily rainfall records reveals that erosion rates are high where the local climate is the driest and where the difference in intensity between extreme rainfall events and prevailing precipitation is the strongest. This implies that the intrinsic variability of precipitation impacts landscape evolution not only through extreme meteorological events, but also through background rainfall-induced parameters such as humidity and dryness, which modulate the erosion threshold of the Earth’s Critical Zone

How summit calderas collapse on basaltic volcanoes: New insights from the April 2007 caldera collapse of Piton de la Fournaise volcano

International audienceIn April 2007, Piton de la Fournaise volcano experienced a caldera collapse during its largest historical eruption. We present here a structural analysis both of the caldera and the surrounding area, and precise GPS data recorded with a dense GPS network specifically dedicated to the analysis of deformation related to the summit collapse structures. Despite a collapse of more than 300 m in the central zone, the geometry of the new caldera is similar in map view to that of the pre-existing collapsed structure, which was formed from the coalescence of several pit craters. The caldera shows an asymmetric inner geometry with sub-vertical walls in the NW quadrant and steep scarps composed of inward tilted blocks in the southern half. The presence of preserved polished surfaces on the lower part of the sub-vertical scarp indicates that it corresponds to the caldera north-western ring fault. The April 2007 caldera collapse led to the development and the reactivation of concentric fractures on the caldera rim, mostly along the southern limit of the caldera. GPS data show that fractures result from radial extensional stresses that are restricted within the first tens of meters of the caldera edge. GPS data also reveal that the caldera collapse was coeval with a centripetal deflation, whose magnitude is largest along the southern half of the caldera. The displacements recorded by GPS result from both a general deflation, due to magma withdrawal from Piton de la Fournaise's summit magma chamber, and additional local effects related to the caldera collapse. Comparison of the caldera collapses at Piton de la Fournaise, Miyakejima and Fernandina reveals striking similarities, with cyclic seismic signals accompanying small-scale deflation–inflation cycles. This strongly suggests a common mode of collapse. Hence, we propose a unifying model of caldera collapse in basaltic setting, in which the inward deflation due to magma withdrawal from the magma chamber prevents the collapse of the caldera roof until the gravitational stress acting on the rock column above the magma chamber exceeds the shear strength along pre-existing ring faults. The downward displacement stops when the pressure increase into the magma chamber is able to again sustain the rock column. The succession of (1) inward deflation that prevents the collapse, (2) collapse due to gravitational stress and (3) stopping of the downward motion is repeated many times. The frequency of the cycles is influenced by the rate of magma withdrawal and by the amount of intrusion of magma along the ring faults