arc insulaire
Guirlande d'îles disposées en arc à l'aplomb du plan de subduction entre la fosse océanique profonde et le bassin marginal (arcs du Pacifique nord et ouest, Petites Antilles, etc.).
GÉOLOGIE
Un arc insulaire est un ensemble d'îles volcaniques (à éruptions généralement de type explosif) disposées en une ligne courbe d'une longueur de l'ordre du millier de kilomètres, voire supérieure. Du côté convexe de l'arc, qui fait face au domaine océanique, cette ligne volcanique (ou axe volcanique, ou front volcanique) est bordée par une fosse océanique profonde (6 000 m ou plus), située à environ 200 km des volcans. Par ailleurs, un arc insulaire est une zone de sismicité élevée : la profondeur des foyers des séismes augmente régulièrement de la fosse (sismicité superficielle) vers l'axe volcanique (profondeur de l'ordre de 120 km) et atteint jusqu'à 600-700 km sous le domaine arrière-arc.
Ces foyers sismiques définissent ainsi un plan connu sous le nom de plan de Benioff-Wadati, des noms des géophysiciens qui l'ont mis en évidence. En termes de tectonique des plaques, ce plan correspond à l'enfoncement (subduction) de la lithosphère océanique dans le manteau de l'arc insulaire. À environ 100 km de profondeur, la déshydratation ou la fusion de la croûte océanique subductée aboutit à la remontée de fluides dans le manteau sus-jacent ; ils en facilitent la fusion, donnant naissance aux magmas d'arc insulaire. Ces derniers cristallisent souvent sous forme d'andésites, roches volcaniques relativement riches en silice (55-60 %) et contenant de nombreux cristaux précoces (feldspaths plagioclases).
Toutes ces caractéristiques se retrouvent au niveau des 25 zones de volcanisme actif de la figure ci-joint, dont la plupart sont des arcs insulaires ; les zones 20 à 23, appelées marges continentales de type andin, ne diffèrent des arcs que par le fait que leurs volcans reposent sur le continent américain au lieu de constituer des îles. En revanche, les alignements d'îles volcaniques du Pacifique central (Hawaii-Empereur, îles de la Société, îles Australes), qui ne sont pas bordés par des fosses océaniques, ont une origine totalement différente de celle des arcs insulaires (magmatisme intraplaque océanique). Ils se forment lors du passage de la lithosphère océanique au-dessus d'un panache de manteau profond anormal : chaque alignement ne comporte qu'une zone de volcanisme actif.
Structure
L'arc insulaire des Petites Antilles constitue un exemple caractéristique. Il comporte une dizaine d'îles volcaniques principales et de très nombreux îlots, définissant un axe volcanique en arc de cercle de 850 km de long, qui s'étend de l'île de Saba à celle de Grenade. Cet axe comporte 11 volcans actifs, dont la montagne Pelée, en Martinique (dernières éruptions en 1902 et en 1929), et la Soufrière de la Guadeloupe (1976). Les îles septentrionales de l'arc (Saba, Saint-Eustache, Nevis), de petites dimensions, correspondent aux sommets émergés de volcans. Quant aux grandes îles centrales et méridionales (Guadeloupe, Dominique, Martinique, Sainte-Lucie, Saint-Vincent, Grenade), chacune d'elles comprend plusieurs centres volcaniques, dont l'activité s'est étalée sur de nombreux millions d'années. La partie nord de l'arc des Petites Antilles comporte également un ensemble d'îles plus anciennes, d'Anguilla à Marie-Galante : elles représentent les vestiges d'un arc insulaire ancien, âgé d'environ 40 millions d'années.
La morphologie sous-marine de l'arc permet d'identifier plusieurs unités ; sa structure d'ensemble est présentée sur une coupe schématique ouest-est au niveau des îles de Saint-Vincent et de la Barbade.
Les sédiments et les basaltes océaniques des plaines abyssales atlantiques, à l'est de l'arc, s'enfoncent sous les sédiments du domaine avant-arc (la valeur moyenne du mouvement relatif, appelé vitesse de subduction, est de 2 cm/an) ; le contact tectonique (sous-charriage) se fait au niveau de la fosse de Porto Rico et de ses prolongements méridionaux. La croûte océanique basaltique et le manteau lithosphérique sous-jacent plongent vers l'est dans le manteau de l'arc. Cette subduction s'accompagne de séismes, dont les foyers sont situés à environ 120 km sous l'axe volcanique (plan de Benioff-Wadati à pendage de 50-60° ouest). Cependant, la plupart des sédiments océaniques, « rabotés » au niveau de la fosse, comblent cette dernière et s'accumulent dans le domaine avant-arc, où ils constituent un prisme d'accrétion de plusieurs kilomètres d'épaisseur qui émerge au niveau de l'île de la Barbade. Des bassins d'avant-arc (bassin de Tobago) s'intercalent entre le prisme d'accrétion et le front volcanique. Au niveau de ce dernier, les magmas remontant au travers du manteau sont stockés dans des réservoirs magmatiques où ils cristallisent en partie. Les liquides résiduels qui subsistent atteignent la surface (éruptions explosives) ou bien se refroidissent en profondeur, formant des plutons de roches grenues.
Dans le cas des Petites Antilles, la croûte de l'arc, sur laquelle reposent les volcans, est épaisse (30 à 35 km). Il s'agit en fait d'un ancien arc insulaire, d'âge crétacé terminal-paléocène (70 à 55 millions d'années). Cet arc a été séparé en deux fragments par l'ouverture à l'éocène (il y a environ 50 millions d'années) d'un bassin arrière-arc (bassin de Grenade) à croûte mince de nature probablement océanique. La ride d'Aves, dans le domaine arrière-arc, représente donc un arc fossile de composition et d'âge identiques à ceux du substratum de l'arc actuel.
Les différents types d'arcs
Les arcs insulaires présentent de nombreuses variations de taille et de fonctionnement. Ainsi, l'arc de Negros (Philippines) n'a que 250 km de long. Par contre, l'arc de la Sonde présente un front volcanique presque continu sur 5 000 km ! L'espacement des volcans actifs est également très variable, de même que la quantité de magma émis : les volcans d'Amérique centrale sont à cet égard dix fois plus « productifs » que leurs voisins des Petites Antilles. De nombreux auteurs ont tenté de relier ces variations à celles des vitesses de subduction, des valeurs du pendage du plan de subduction, ou bien encore à l'âge ou à l'état d'altération de la croûte subductée : aucune corrélation très significative entre ces paramètres n'a pu être mise en évidence.
Les principaux éléments structuraux des arcs insulaires, évoqués à propos de l'exemple des Petites Antilles, sont également sujets à des variations considérables, certains d'entre eux pouvant faire défaut. La taille du prisme d'accrétion est proportionnelle à l'épaisseur des sédiments reposant sur la croûte océanique, ainsi qu'à la durée de la subduction ; le prisme est peu développé, voire absent, dans certains arcs à fosse profonde, alors que dans d'autres cas (Petites Antilles) il comble totalement cette dernière. Les bassins d'arrière-arc, dont l'apparition reflète un phénomène d'extension pouvant aboutir à la création d'une nouvelle croûte de type océanique, sont parfois absents (Philippines) ou à des stades embryonnaires d'évolution (Ryu-Kyu). Dans d'autres cas, leur développement est tel qu'il repousse l'arc insulaire loin de la marge continentale à proximité de laquelle il est né (Mariannes). Il semble même que dans certains cas l'apparition du bassin d'arrière-arc puisse être antérieure à celle de l'arc proprement dit (Sandwich du Sud). Enfin, la profondeur maximale atteinte par le plan de Benioff-Wadati dépend de la vitesse de subduction et de la durée de celle-ci : elle varie de 650-700 km sous l'arc de la Sonde (domaine arrière-arc de Java) à 200 km seulement (cas des Petites Antilles). La sismicité est parfois localisée de façon très irrégulière (arc éolien), et l'existence d'une plaque subductée profonde ne se traduit pas obligatoirement par des séismes (arc égéen, Cascades).
Le paramètre le plus variable de la structure des arcs insulaires est l'épaisseur de la croûte de l'arc, généralement utilisée comme critère de classification. En effet, certains arcs sont installés sur une croûte de type océanique, épaisse de moins de 15 km : c'est le cas des Tonga, des Kermadec, des Salomon, des Sandwich du Sud par exemple, généralement éloignés de toute zone continentale.
Beaucoup d'arcs reposent sur des croûtes d'épaisseur intermédiaire entre les valeurs typiquement océaniques (moins de 15 km) et continentales (35 km) : c'est notamment le cas des Vanuatu, des Philippines du Sud-Est, des Kouriles, des Aléoutiennes, des Petites Antilles. De telles épaisseurs correspondent soit à une croûte continentale amincie, soit, beaucoup plus fréquemment, à une croûte océanique épaissie par l'adjonction de magmas au cours d'un épisode de subduction prolongé ou bien lors de plusieurs subductions successives (cas des Petites Antilles). Les arcs insulaires ayant pour substratum une croûte continentale typique (épaisseur de l'ordre de 35 km) se rencontrent dans deux types de cas. Il peut s'agir de fragments continentaux détachés lors d'un événement géodynamique antérieur à la subduction (Nouvelle-Zélande) ou bien de péninsules continentales (Alaska du Sud-Est, Kamtchatka) ou de grandes îles séparées du continent par des mers peu profondes (Sumatra). Enfin, quoique ne constituant pas à proprement parler des arcs insulaires, les alignements volcaniques des marges continentales de type andin reposent sur une croûte très épaisse (de 40 à 70 km : Colombie-Équateur, Pérou-Chili).
Ainsi, on observe des changements progressifs de la morphologie des îles volcaniques : les volcans d'arc reposant sur substratum océanique sont en grande partie immergés, et seuls leurs sommets constituent des chapelets de petites îles aux pentes abruptes (Tonga, Sandwich du Sud). Lorsque les arcs sont à croûte intermédiaire ou continentale, la taille des îles est beaucoup plus importante, chacune d'elles comportant plusieurs centres volcaniques (Martinique, Guadeloupe), voire un grand nombre de volcans actifs (Japon, Sumatra, Java). Enfin, les volcans des Andes comptent parmi les plus hauts sommets du globe ; ils dépassent souvent 6 000 m d'altitude, leur base reposant sur l'Altiplano sud-américain, à près de 4 000 m. La composition des magmas émis change également en fonction de la nature de la croûte de l'arc : généralement basaltiques en contexte océanique, leurs teneurs en silice et en potassium tendent à augmenter lorsque la croûte de l'arc est épaisse (andésites calco-alcalines).
Magmatisme des arcs
Le trait le plus constant de l'ensemble des arcs insulaires actifs est la profondeur du plan de Benioff sous les fronts volcaniques : 100 à 150 km. Cette constance est due aux mécanismes de la genèse du magmatisme d'arc. En effet, la plaque océanique subductée est soumise à une augmentation progressive de pression et de température (métamorphisme) : elle se déshydrate progressivement, libérant l'eau de ses sédiments, de ses basaltes et de ses péridotites altérés dans le manteau de l'arc. Lorsqu'elle atteint des profondeurs de 100-150 km et des températures de 800 à 1 000 °C, aucun minéral hydroxylé ne peut y subsister : les fluides contenus dans les serpentines, les micas et les amphiboles migrent dans le manteau sus-jacent, de même que les magmas silicatés issus de la fusion de mélanges de sédiments et de basaltes océaniques.
Ces fluides et ces magmas, riches en eau, en silice et en alcalins, vont contaminer chimiquement le manteau de l'arc. Simultanément, l'arrivée d'eau dans les péridotites du manteau provoque leur fusion partielle, qui donne naissance à des magmas basaltiques. Ces liquides, chassés vers la surface par la pression, vont remonter au travers du manteau puis de la croûte de l'arc. Ils sont en général stockés, au moins temporairement, dans des réservoirs magmatiques localisés sous les grands volcans et dont les profondeurs sont souvent de l'ordre de 5 à 20 km. La cristallisation partielle des magmas dans ces réservoirs donne naissance à des roches grenues. Les liquides restants sont alors andésitiques ; ils vont soit terminer leur cristallisation en profondeur, formant des massifs de roches grenues, soit faire éruption en surface.
Les volcans des arcs insulaires ont des styles éruptifs extrêmement variés, qui couvrent toute la gamme connue des manifestations volcaniques. Cependant, en raison de la richesse en eau des magmas, les éruptions de type explosif sont nettement dominantes (80 % des éruptions historiques des volcans japonais). C'est pourquoi les volcans des arcs insulaires posent de délicats problèmes de prévision et de surveillance : ils sont en fait presque toujours à l'origine des catastrophes volcaniques majeures (Santorin, arc égéen, environ 1480-1450 avant J.-C. ; Tambora, arc de la Sonde, 1815 ; Krakatoa, arc de la Sonde, 1883 ; montagne Pelée, Petites Antilles, 1902).
Les produits les plus courants de leur activité sont des brèches volcaniques de haute température. Un type d'activité fréquent, illustré par de nombreuses éruptions récentes (montagne Pelée, 1902, 1929 ; Soufrière de Saint-Vincent, 1902, 1979 ; montagne Saint Helens, 1980 ; Merapi, 1983), comporte des dynamismes explosifs (nuées ardentes, émulsions de gaz et de fragments de magma émises avec des vitesses initiales de plusieurs centaines de kilomètres par heure) associés à la croissance, au fond du cratère, d'un dôme de lave visqueuse.
Sur le plan chimique, les magmas de l'ensemble des arcs insulaires ont des caractéristiques communes (quantités de titane, de niobium et de tantale inférieures à celles rencontrées dans d'autres magmas) qui permettent de les identifier aisément. On les classe en fonction de leurs teneurs en potassium. Cependant, le comportement géochimique du potassium dans les zones de subduction est loin d'être bien élucidé : il semble dépendre de l'apport variable de cet élément par les sédiments de la plaque océanique subductée, les plus riches étant les sédiments détritiques provenant de l'érosion des continents. Les teneurs en potassium des magmas des arcs augmentent souvent à proximité d'un continent (Petites Antilles). Par ailleurs, bien qu'environ 50 % des arcs insulaires soient caractérisés par des axes volcaniques très étroits (moins de 50 km), certains atteignent des largeurs un peu plus importantes (jusqu'à 200-300 km). On constate alors une tendance générale à l'augmentation des teneurs en potassium des laves prélevées à des distances croissantes de la fosse (donc correspondant à des profondeurs de plus en plus importantes du plan de Benioff-Wadati). L'origine de ces variations fait l'objet de nombreuses hypothèses (hétérogénéité du manteau de l'arc, variations des conditions de fusion partielle, contamination par la croûte de l'arc).
Importance géologique des arcs
Les arcs insulaires sont surtout connus comme des zones à hauts risques sismique et volcanique, dont la surveillance et la prévision font l'objet de nombreux travaux (Japon, Philippines, Indonésie, Antilles, marge continentale ouest-américaine). Ils représentent par ailleurs des éléments clés de l'évolution tectonique du globe. C'est en effet à leur niveau que disparaît dans le manteau la lithosphère océanique créée par le fonctionnement des dorsales médio-océaniques.
Les océans Atlantique et Indien, dont les marges comportent peu d'arcs insulaires (Petites Antilles et Sandwich du Sud dans l'Atlantique, arc de la Sonde dans l'océan Indien), croissent en dimension puisque la création de lithosphère océanique nouvelle au niveau de leurs dorsales n'est que très localement compensée par la disparition de « vieille » lithosphère au niveau des arcs : partout ailleurs, le bilan est un écartement des masses continentales bordant ces océans. En revanche, dans le cas de l'océan Pacifique, bordé par un grand nombre d'arcs insulaires, la création de lithosphère océanique au niveau des dorsales est compensée et même surcompensée par sa disparition au niveau des zones de subduction périphériques. Les arcs insulaires et les dorsales apparaissent donc comme les deux types de frontières de plaques dont le fonctionnement détermine la tectonique globale, les zones de subduction étant le site du recyclage dans le manteau de la lithosphère océanique. Ce recyclage s'accompagne de l'extraction de cette lithosphère de nombreux éléments à grand rayon ionique, comme le potassium. Ces éléments sont en effet aisément incorporés dans les fluides qui migrent de la plaque océanique subductée vers le manteau sus-jacent ; ils modifient la composition chimique de ce dernier et se concentrent dans les magmas d'arc qui dérivent de sa fusion partielle. Ils sont donc globalement transférés de la lithosphère océanique à la croûte de l'arc.
Une autre importante contribution chimique doit être soulignée : c'est l'apport atmosphérique des gaz volcaniques lors des éruptions explosives. Ces dernières ont par ailleurs des conséquences climatiques non négligeables en raison de la dispersion des particules fines (éruption d'El Chichón, Mexique, 1982).
Une autre conséquence géologique majeure du fonctionnement des arcs est la contribution qu'ils apportent à la croissance des continents. En effet, la composition des roches magmatiques d'arc insulaire (andésites et diorites), assez riche en silice et alcalins, est relativement proche de la composition moyenne de la croûte continentale ; or les magmas d'arc sont extraits du manteau supérieur et de la croûte océanique subductée, ainsi qu'on la vu précédemment. La croissance des continents par adjonction de matériel d'arc insulaire est donc possible si un processus tectonique permet cette adjonction : c'est la collision.
Lorsque le domaine de croûte océanique faisant face à un arc insulaire est entièrement consommé par la subduction, l'arc entre en collision avec la marge continentale accolée au domaine océanique disparu : l'arc est alors charrié sur la marge continentale. Il existe un exemple frappant d'un tel type de collision continent-arc au niveau de l'est de l'île de Taiwan : la partie septentrionale de l'arc volcanique Luzon-Taiwan a subi au pliocène (il y a environ 5 millions d'années) un charriage qui l'a amenée à recouvrir la marge continentale chinoise, mettant bien évidemment fin à son activité magmatique. D'une manière plus générale, dans les cas de collision à grande échelle entre deux masses continentales (collision de type himalayen), les arcs insulaires qui bordaient le domaine océanique disparu sont impliqués dans le processus de collision et constituent donc des jalons de la suture des deux masses continentales. On connaît ainsi un grand nombre d'arcs insulaires anciens insérés tectoniquement dans les chaînes de montagnes.
Les arcs insulaires sont par ailleurs assez faciles à identifier dans les chaînes anciennes en raison des particularités géochimiques de leurs magmas. On peut donc penser que l'apparition des premiers arcs insulaires caractéristiques permet en quelque sorte de dater celle d'un régime tectonique global comparable à l'actuel. De fait, on connaît depuis le précambrien terminal (environ un milliard d'années) des andésites pratiquement identiques à celles émises par les arcs insulaires actifs. Par contre, les terrains archéens (d'âge supérieur à 2,5 milliards d'années) contiennent des roches globalement comparables aux andésites, mais présentant des particularités géochimiques attribuables à des degrés de fusion partielle du manteau beaucoup plus élevés en raison d'un flux de chaleur supérieur à l'actuel. De 2,5 milliards à 1 milliard d'années, les compositions des magmas d'arc auraient évolué progressivement, parallèlement à la décroissance du flux de chaleur terrestre.
Un dernier aspect de la géologie des arcs insulaires mérite d'être souligné, en raison de son importance économique : il concerne les minéralisations liées au magmatisme d'arc. Les andésites et leurs équivalents plutoniques sont très souvent minéralisés en cuivre : ce sont les porphyres cuprifères qui jalonnent les arcs insulaires et la marge continentale ouest-américaine ; ils sont à l'origine de 70 % de la production mondiale de cuivre et de la presque totalité de celle de molybdène. Le volcanisme sous-marin des étapes initiales de l'activité des arcs s'accompagne également de minéralisations sulfurées appelées dépôts de type Kuroko (d'après les mines de ce nom dans l'île de Honshu, Japon) et contenant du fer, du zinc, du plomb, du cuivre, de l'argent et de l'or. D'autres métaux (étain, antimoine, tungstène, mercure) présentent également des concentrations intéressantes en contexte d'arc insulaire.