Ceux qui s’intéressent au monde des volcans connaissent probablement les Yellowstone Caldera Chronicles, une publication hebdomadaire proposée par des scientifiques et des collaborateurs de l’Observatoire Volcanologique de Yellowstone (YVO). La dernière chronique pose une question intéressante : Qu’ont en commun Yellowstone et Hawaï ?

Yellowstone et l’archipel hawaïen sont des exemples spectaculaires de systèmes volcaniques actifs dans le monde, et chacun attire des millions de visiteurs chaque année. Ces systèmes volcaniques sont séparés par près de 5 000 km et ont des comportements très différents. Yellowstone ne possède pas de grandes structures volcaniques mais présente plutôt des caldeiras dessinées par des éruptions explosives de magma rhyolitique. Suite à leur formation, les caldeiras de Yellowstone ont eu tendance à se remplir de coulées de rhyolite visqueuses et de dômes qui donnent naissance à de vastes plateaux.

Photo: C. Grandpey

En revanche, l’activité volcanique à Hawaï tend à édifier des volcans en forme de boucliers, comme le Mauna Loa, où l’on observe de nombreuses coulées de lave fluide. Les volcans hawaïens peuvent présenter, eux aussi, des caldeiras, même si elles sont beaucoup plus petites que celles de Yellowstone. Ils entrent en éruption beaucoup plus fréquemment que Yellowstone, en émettant généralement des laves basaltiques fluides. De plus, les éruptions hawaïennes ont tendance à être beaucoup moins puissantes que celles de Yellowstone. Malgré ces différences de comportement éruptif et d’apparence extérieure, Yellowstone et Hawaï présentent des similitudes.

Vue du Mauna Loa (Photo: C. Grandpey)

La plupart des systèmes volcaniques dans le monde sont liés soit à des zones de subduction, où une plaque tectonique glisse sous une autre (comme sous la Chaîne Cascade dans l’ouest des États-Unis), soit à des zones d’accrétion, où un écartement dans la croûte terrestre favorise l’ascension du magma, comme le long de la dorsale médio-Atlantique. À côté de cela, le volcanisme à Hawaï et à Yellowstone est plutôt généré par des panaches mantelliques, autrement dit des zones où le magma à très haute température réussit à percer la surface. Lorsque ce magma très chaud se rapproche de la surface, il fait fondre la croûte, ce qui conduit à la mise en place d’un système magmatique capable de produire des éruptions volcaniques.

Volcanisme de point chaud (Source: Smithsonian Instutution)

Les panaches mantelliques fonctionnent indépendamment de la tectonique des plaques ; ils restent généralement stationnaires alors que les plaques tectoniques se déplacent au-dessus d’eux. En conséquence, les systèmes magmatiques comme ceux d’Hawaï et de Yellowstone produisent des chapelets de volcans dont l’âge évolue avec la longueur. Par exemple, au cours des 16 derniers millions d’années, le point chaud qui alimente actuellement Yellowstone a produit plusieurs systèmes de caldeiras allant de la caldeira McDermitt dans le sud-est de l’Oregon et le nord du Nevada, jusqu’à la celle de Yellowstone dans le nord-ouest du Wyoming

Ces différents systèmes volcaniques étaient semblables à la caldeira de Yellowstone ; en effet, ils produisaient de grosses éruptions explosives avant que le mouvement de la plaque n’éloigne le système suffisamment du point chaud – ou hotspot – et coupe l’alimentation par le panache mantellique. C’est ainsi qu’un nouveau centre volcanique s’est formé au nord-est du précédent, au-dessus du nouvel emplacement du panache mantellique. La partie orientale de la plaine de la Snake River dans le sud de l’Idaho marque cette chaîne d’ anciennes éruptions de Yellowstone ; elle ‘vieillit’ au fur et à mesure que l’on se déplace vers le sud-ouest de la caldeira de Yellowstone.

Carte du nord-ouest des États-Unis montrant les principales structures volcaniques associées au panache mantellique qui se trouve actuellement sous la caldera de Yellowstone. Les couleurs indiquent des compositions basaltiques (en bleu) et rhyolitiques (en rouge), avec des nuances indiquant l’âge (les nuances plus sombres sont plus anciennes). Les chiffres, avec des âges approximatifs en millions d’années, correspondent aux grandes lignes de caldeiras formées par le point chaud de Yellowstone. (Source: YVO)

De la même façon, le hotspot actuellement sous Hawaï est responsable de la formation de la chaîne Hawaiian Ridge-Emperor Seamount au cours des 80 derniers millions d’années. Les volcans de cette chaîne vieillissent de plus en plus en allant vers le nord-ouest dans l’océan Pacifique. Les plus anciens centres éruptifs hawaïens se trouvent au large de la côte du Kamtchatka, en Russie.

Source: HVO

Étant donné que Yellowstone et Hawaï sont tous deux alimentés par des panaches mantelliques, on peut se demander pourquoi ces systèmes volcaniques se comportent si différemment et produisent des laves aussi différentes. Il y a plusieurs raisons, mais la plus significative est peut-être la nature de la croûte terrestre dans les deux sites. Hawaï est situé sur la croûte océanique qui est beaucoup plus mince (environ 10 km d’épaisseur) que la croûte continentale présente à Yellowstone (environ 45 km d’épaisseur). Comme la croûte est plus fine sous Hawaï, le magma peut monter plus rapidement et plus facilement. Cela signifie qu’il n’a pas le temps de cristalliser ou d’interagir avec la croûte. Il a donc tendance à être émis sous forme de coulées de lave basaltique présentant une faible viscosité. Les éruptions ont aussi tendance à être plus fréquentes et plus réduites en volume.

Photo: C. Grandpey

En revanche, l’épaisse croûte continentale sous Yellowstone empêche le magma de s’élever facilement. En conséquence, il s’arrête et s’accumule et subit des transformations dans la croûte. Au fil du temps, ce processus a conduit à la mise en place d’un grand système magmatique qui couvre la majeure partie de la croûte sous Yellowstone et comprend un grand réservoir de magma rhyolitique dans la croûte supérieure (à des profondeurs de 5 à 19 km) qui alimente les éruptions et phénomènes hydrothermaux spectaculaires de Yellowstone.

Vue d’une petite portion de la caldeira de Yellowstone (Photo: C. Grandpey)

En conclusion, malgré leurs différences extérieures, les systèmes mantelliques qui alimentent le volcanisme à Yellowstone et à Hawaï ont beaucoup de points communs.

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Those interested in the world of volcanoes are probably familiar with the Yellowstone Caldera Chronicles, a weekly publication by scientists and collaborators at the Yellowstone Volcano Observatory (YVO). The latest Chronicle asks an interesting question: What do Yellowstone and Hawaii have in common?

Yellowstone and the Hawaiian Islands are some of the most spectacular examples of active volcanic systems in the world, each drawing millions of visitors annually. These volcanic systems are separated by nearly 5000 kilometers and have dramatically different behaviors. Yellowstone doesn’t produce tall volcanic features, but instead forms large depressions in the ground, referred to as calderas, because of explosive eruptions of rhyolite magma. After formation, Yellowstone’s calderas tend to fill with viscous rhyolite lava flows and domes that form broad plateaus or steep dome-like structures that are often covered with pine trees.

In contrast, volcanic activity in Hawaii tends to build broad shield volcanoes such as Mauna Loa that are composed of numerous fluid lava flows and stand above the surrounding landscape.

Hawaiian volcanoes are often capped by calderas, albeit much smaller than those produced by Yellowstone. Hawaiian volcanoes also erupt much more frequently than Yellowstone, typically producing fluid basalt lavas, but individual eruptions tend to be much smaller than those from Yellowstone. Despite these differences in eruptive behavior and outward appearance, Yellowstone and Hawaii have some deeply rooted similarities.

Most volcanic systems around the world are related to either subduction zones, where one crustal tectonic plate slides under another — as beneath the Cascade Range in the western United States — or at divergent plate margins, where magma ascends as the crust is being pulled apart — often in the middle of ocean basins such as along the mid-Atlantic Ridge.

Volcanism in Hawai‘i and Yellowstone, however, is instead driven by mantle plumes, regions where Earth’s mantle is anomalously hot and buoyantly upwelling.

As the hot mantle rises to shallower depths, it causes melting that in turn leads to the development of a magmatic system which can produce volcanic eruptions.

Mantle plumes operate independently of plate tectonics and remain mostly stationary as the Earth’s tectonic plates move above them. As a result, magmatic systems such as those in Hawai‘i and Yellowstone produce chains of volcanoes that have an age progression along their lengths.

During the past 16 million years, the hot spot feeding Yellowstone caldera produced several caldera systems extending from McDermitt Caldera in southeastern Oregon and northern Nevada to Yellowstone caldera in northwest Wyoming.

Each of these now-buried volcanic systems was similar to Yellowstone caldera in that they produced large explosive eruptions before plate motion carried the system far enough away from the hot spot that access to the mantle plume was cut off. Eventually, a new volcanic center formed to the northeast of the previous one above the new crustal location of the mantle plume.

The eastern Snake River Plain of southern Idaho marks this chain of “ancient Yellowstones” that gets older as you move to the southwest from Yellowstone caldera.

Similarly, the hot spot under Hawai‘i is responsible for producing the Hawaiian Ridge-Emperor Seamount chain during the past 80 million years. Volcanoes in that chain get older the farther northwest you go across the Pacific Ocean from the Hawaiian Islands. The oldest “ancient Hawai‘is” are located off the coast of Kamchatka, Russia.

Given that Yellowstone and Hawai‘i are both powered by mantle plumes, why do these volcanic systems behave so differently?

There are many reasons, but perhaps the most significant is the nature of the crust in the two locations.

Hawaiʻi is located on oceanic crust, which is much thinner — about 6 miles thick — than the continental crust present at Yellowstone, which is about 28 miles thick. Because of the thinner crust underneath Hawai‘i, magma is able to rise more quickly and easily.

That means magma doesn’t have time to crystallize or interact with the crust and instead tends to erupt as runny, or low viscosity, basaltic lava flows. Eruptions also tend to be more frequent and smaller in volume.

In contrast, the thick continental crust underneath Yellowstone prevents magma from easily ascending. As a result, magma stalls and accumulates in the crust.

With time, this process has led to the development of a large magmatic system that spans most of the crust underneath Yellowstone and includes a large rhyolite magma reservoir in the upper crust — at depths of about 3 to 12 miles — that feeds Yellowstone’s dramatic eruptions.

Despite their outward differences, the fundamental engines that power volcanism in Yellowstone and Hawai‘i are quite similar.