Le panache qui alimente le supervolcan de Yellowstone s'étend jusqu'en Californie !

Les panaches mantelliques sont des remontées de roches surchauffées, donc de faible densité, issues du manteau inférieur, que l'on suppose alimenter les points chauds, comme ceux d'Hawaï et de Yellowstone, ainsi que d'autres évènements volcaniques de grande ampleur, tels que les vastes provinces magmatiques appelées trapps (par exemple les trapps du Deccan en Inde). Rare à l'échelle du globe parce qu'il surgit sous un continent, le panache qui alimente Yellowstone a un comportement plus surprenant encore. En plus de s'accumuler sous la caldeiracaldeira située dans le parc national du même nom, dans le Wyoming, le matériaumatériau qui le compose s'échappe vers l'ouest, traversant plusieurs États. Il termine sa course au beau milieu de l'Oregon et à l'extrême nord de la Californie, où il nourrit encore respectivement les volcans de Newberry et de Medicine Lake.

C'est en étudiant le volcanisme à l'ouest de Yellowstone, plutôt que le supervolcansupervolcan lui-même, que Victor Camp, chercheur à l'université d'État de San Diego (SDSU) en Californie, est parvenu à cette découverte. D'ordinaire intéressé par le passé de Yellowstone, remontant à 17 millions d'années (Ma), le chercheur s'est cette fois tourné vers la province ignée des High Lava Plains (plaines de lavelave) en Oregon, issues d'un volcanisme plus récent, datant de moins de 12 Ma, dont il essayait d'expliquer l'origine encore très débattue. Les uns l'attribuent à la tectonique des plaquestectonique des plaques, les autres à un panache mantellique.

Partisan de la thèse du panache mantellique, Victor Camp propose dans sa dernière étude une nouvelle interprétation des données déjà publiées par ses collègues, entre autres une cartographie du manteau terrestremanteau terrestre du nord-ouest de l'Amérique du Nord par tomographie sismiquetomographie sismique. L'analyse de ces données a conduit d'autres chercheurs à soutenir l'idée d'un volcanisme associé aux plaques. Victor Camp aboutit pour sa part à une conclusion différente, comme il l'explique à Futura : « On pensait que le volcanisme à l'ouest de Yellowstone était majoritairement associé aux plaques tectoniques, mais mon étude suggère que non, que c'est le résultat d'un panache mantellique qui s'est déplacé vers l'ouest » en formant des bras que le chercheur appelle « chenaux ». Il a mis plusieurs millions d'années pour cheminer jusqu'en Oregon et en Californie du Nord, à plus de 800 kilomètres de son point de départ. D'après le volcanologuevolcanologue, ces résultats parus dans le journal Geology sont plutôt « bien reçus » par ses pairs.

Un petit cône volcanique à Jordan Craters, un terrain volcanique dans l'est de l'Oregon qui aurait été formé il y a moins de 30.000 ans. Cet endroit se situe juste au-dessus d'un des bras du panache. ©️ Victor Camp

Un jeu de piste matérialisé par des éruptions récentes

Le panache prend naissance vers 2.700 kilomètres de profondeur dans une zone du manteau inférieur proche de la limite avec le noyau, située comme par hasard au niveau de San Diego en Californie. Il est constitué de roches anormalement chaudes, mais pas en fusionfusion, et dont la densité est plus faible par rapport aux roches mantelliques alentour. De ce fait, il s'élève vers la surface et parvient par des chemins détournés sous la caldeira de Yellowstone, où il stagne dans sa majeure partie. Il commence à fondre en se rapprochant de la surface, à environ 100 kilomètres, se transformant alors en magmamagma. C'est pourquoi on parle bien de panache mantellique et non magmatique.

En raison de sa très grande profondeur, ce panache est difficile à visualiser, ce qui explique la controverse autour de son rôle dans l'activité volcanique en surface, ou même autour de son existence, selon Victor Camp. « Mais récemment, des chercheurs ont réussi à imager le panache jusqu'à la limite manteau-noyau », déclare-t-il. Son étude s'appuie essentiellement sur ces résultats, mais aussi sur la géochimie des terrains volcaniques en surface et sur leur âge.

Coupe à 75 kilomètres de profondeur révélant les variations de vitesse sismique dans le manteau, traduisant des variations de température et de densité du matériau (James et al., 2011). La couleur rouge représente la matière très chaude et de faible densité qui forme le panache. Cette matière s'insinue vers l'ouest depuis Yellowstone via des bras ou « chenaux ». Le bleu représente la matière plus froide et de densité plus élevée. Les triangles jaunes situent des éruptions récentes (moins de 2 Ma) à la surface, qui se superposent relativement bien au panache. Les triangles rouges sont les volcans de la Chaîne des Cascades, qui semble agir comme une barrière bloquant l'avancée du panache vers l'ouest. ©️ Victor Camp, Geology, 2019

Le chercheur a ainsi observé que le volcanisme des High Lava Plains « devient de plus en plus récent plus on progresse vers l'ouest », allant de 10 Ma d'années à nos jours. Il en déduit « que l'écoulement se produit d'est en ouest ». Il suppose également que le déplacement latéral du panache soit facilité par une discontinuité d'épaisseur de la lithosphèrelithosphère (ligne verte sur l'image ci-dessous). Du côté ouest (Oregon), la lithosphère devient plus fine par rapport au côté est et « flotte » donc plus facilement sur le manteau. Ce changement de conditions tire le panache vers l'ouest, bien que cela paraisse contre-intuitif. « Le panache se déplace à l'inverse de ce à quoi l'on s'attendrait sur une topographie normale à la surface de la TerreTerre, par exemple avec une rivière coulant du haut vers le bas », précise Victor Camp.

« Le diamètre du panache mantellique est d'environ 100 kilomètres. Quand il arrive juste en dessous de Yellowstone, où se concentre la majorité du volcanisme, il atteint à peu près le même diamètre que la caldeira » (soit environ 55 sur 72 km), estime le chercheur. Une partie du panache s'écoule ensuite latéralement vers l'ouest, traversant entièrement l'État de l'Idaho en se déplaçant à une profondeur de 60 à 80 kilomètres sous la croûte terrestrecroûte terrestre. Il se rapproche de la surface en passant du côté de la lithosphère d'épaisseur moindre (côté ouest de la ligne verte sur l'image). Sous les plaines de lave de l'Oregon, il se déploie à une profondeur de 35 kilomètres. Tout au long de son parcours, il est impliqué dans des éruptions relativement récentes à l'échelle des temps géologiqueséchelle des temps géologiques, c'est-à-dire moins de 2 millions d'années, telles que celles qui ont formé les trapps de la réserve nationale Craters of the Moon, dans le centre de l'Idaho, entre 15.000 et 2.000 ans.

Le panache se divise une première fois au niveau du plateau Owyhee, à la croisée des États de l'Idaho, de l'Oregon et du Nevada. Le bras qui s'en va sillonner le nord du Nevada est négligeable, « avec moins de matièrematière et de volcans » en surface, tandis que l'artèreartère principale poursuit sa route en Oregon, où se trouvent les trapps (High Lava Plains) et la majorité des volcans. Cette branche du panache aboutit au cratère Newberry, dans le centre de l'Oregon. Avant d'atteindre cette destination, une petite partie du matériau bifurque vers le sud-ouest pour arriver à Medicine Lake, en Californie du Nord, juste en dessous de la frontière avec l'Oregon. Tous deux des volcans actifs, le cratère Newberry et Medicine Lake sont entrés en éruption pour la dernière fois il y a environ 1.300 ans et 1.000 ans respectivement. Yellowstone a quant à lui connu sa dernière superéruption il y a 630.000 ans. Ces volcans (ainsi que les diverses éruptions tout au long du panache) sont alimentés par le même matériau que Yellowstone, mais « modifié, car en s'écoulant vers l'ouest, le panache intègre d'autres composants », d'après Victor Camp.

Représentation de l'écoulement du panache à travers les États du Wyoming (départ de Yellowstone), de l'Idaho, du Nevada, de l'Oregon (point d'arrivée à Newberry) et de Californie (point d'arrivée à Medicine Lake). La couleur beige correspond à la matière de faible densité constituant le panache qui se déplace en formant des « chenaux ». Cette matière finit par s'étaler (en marron). Les triangles jaunes situent des éruptions récentes (moins de 2 Ma). Les triangles rouges sont les volcans de la Chaîne des Cascades. ©️ Victor Camp, Geology, 2019

Un panache exceptionnel et toujours actif

L'histoire géologique de ce panache ne commence pas à Yellowstone. En réalité, il s'est initialement manifesté en surface à l'ouest de l'actuel Yellowstone, il y a 16,7 Ma, pour former le groupe basaltiquebasaltique du ColumbiaColumbia (Columbia River Basalt Group, âge estimé entre 17 à 14 Ma). Cette immense province ignée également nommée plateau du Columbia chevauche les États de Washington, de l'Oregon et de l'Idaho. Le panache mantellique en lui-même est relativement stationnaire. À cause du déplacement de la plaque nord-américaine vers l'ouest/sud-ouest, son sommet s'est ensuite retrouvé sous Yellowstone à partir de 12 à 10 Ma.

Dans son étude, Victor Camp décrit un écoulement d'une partie du panache vers l'ouest. Ce phénomène « a commencé depuis plus longtemps, mais a eu lieu surtout au cours des derniers 12 Ma. » Le bras principal, celui qui se termine au cratère Newberry, semble s'échouer contre la Chaîne des Cascades, une chaîne de montagnes d'axe nord-sud allant de la Colombie-Britannique (Canada) au nord de la Californie (voir image ci-dessus), issue de la subductionsubduction de la plaque Juan de Fuca sous la plaque nord-américaine. Confronté à cette « barrière », l'écoulement a l'airair de dévier vers le nord. Mais « nous ne pouvons pas savoir ce qui va se passer, si le panache va continuer à s'étaler », prévient Victor Camp.

« Actuellement, le panache est toujours actif », affirme le chercheur. Il est encore associé à des volcans et pourrait donc produire de nouvelles éruptions. « Il est rare de trouver un panache mantellique actif sous un continent de nos jours et de les observer se manifester sous forme de volcanisme en surface comme à Yellowstone », témoigne Victor Camp. Ils surviennent généralement sous les océans, comme à Hawaï. « Il est possible que de nouveaux panaches se développent, mais cela prendrait très longtemps, des millions d'années. » 

Comparé à d'autres panaches mantelliques sous un continent, celui de Yellowstone est plutôt bien documenté, selon le chercheur. « L'écoulement latéral révèle de nouvelles caractéristiques des panaches mantelliques », utiles pour la compréhension de ces phénomènes ainsi que des grandes éruptions volcaniques passées qui leur sont associées ou qu'ils pourront provoquer à l'avenir.