Carte bathymétrique des fonds marins de l’Arctique
Bathymétrie (indiquée en mètres) et dénomination des bassins, dorsales et plateformes. Les profondeurs les plus importantes concernent le bassin eurasien et peuvent dépasser 5 000 m au niveau de la dorsale océanique de Gakkel.
Source : d’après le fonds cartographique de l’IBCAO (International Bathymetric Chart of the Arctic Ocean]

Une caldeira^[1] Une caldeira (mot d’origine portugaise) ou caldera (en espagnol), signifiant chaudron, est un cratère volcanique de grande dimension atteignant quelques kilomètres ou quelques dizaines de kilomètres de diamètre, à contour circulaire ou elliptique. Ce type de cratère se forme à la suite de l’effondrement (subsidence en chaudron) de la partie centrale du volcan qui en est à l’origine et dont la chambre magmatique sous-jacente a été en partie vidée par des éruptions successives, voire par une méga-éruption s’il s’agit d’un supervolcan (cf. encadré ci-dessus). sous-marine particulièrement imposante a été reconnue pour la première fois en 1999 sur le fond de l’océan Arctique, au moment de la parution de la carte bathymétrique internationale lui faisant référence (IBCAO^[2] IBCAO (International Bathymetric Chart of the Arctic Ocean) : carte bathymétrique de l’océan Arctique compilée par un groupe d’experts internationaux et présentée pour la première fois à l’occasion du congrès de 1999 de l’American Geophysical Union (AGU). L’océan Arctique y apparaît constitué de deux bassins océaniques principaux, dénommés bassin eurasien ou eurasiatique (situé du côté Eurasie) et bassin amérasien (situé du côté Amérique du Nord), séparés par la dorsale ou chaîne de Lomonossov, qui ne constitue cependant pas une dorsale océanique à proprement parler (cf. le chapitre « Physiographie » du dossier thématique paru sur notre site à propos de l’océan Arctique). Le bassin eurasien, que l’on peut entrevoir comme représentant le prolongement septentrional du bassin de l’Atlantique Nord, est lui même subdivisé en deux sous-bassins, d’Amundsen (ou de Fram) et de Nansen, séparés par la dorsale de Gakkel dont l’activité sismique et les manifestations hydrothermales peuvent laisser supposer qu’elle représente une extension vers le nord de la dorsale océanique médio-atlantique (voir sur notre site l’article intitulé : « Sismicité et surveillance de la région arctique : l’apport du réseau Arkhangelsk«  qui notamment met l’accent sur le fait que l’essentiel des signaux sismiques perceptibles actuellement au niveau de l’océan Arctique traduit une activité au droit des différents segments de la dorsale océanique arctique, principalement celui de Gakkel).). Implantée sur la dorsale océanique de Gakkel^[3] La dorsale de Gakkel est une portion de la dorsale océanique arctique qui sillonne le fond de cet océan de part en part, ride sous-marine jalonnant les marges en expansion de deux plaques tectoniques qu’elle sépare, plaque eurasienne et plaque nord-américaine dans le cas présent. Classiquement, au niveau d’une dorsale océanique, l’écorce terrestre subit une extension tectonique et il se forme de façon plus ou moins conséquente de la croûte océanique juvénile qui en migrant peu à peu de part et d’autre de la dorsale entraîne une accrétion latérale des deux plaques en divergence, participant au renouvellement du plancher océanique qui apparaît ainsi de plus en plus âgé à mesure que l’on s’en éloigne. La dorsale océanique arctique, dans son ensemble, est constituée d’une succession de segments décalés par des failles transformantes, segments s’échelonnant depuis l’Islande jusqu’à la mer de Laptev et dénommés dorsale Kolbeinsey (au nord-est de l’Islande), dorsale Mohns puis dorsale Knipovich (en mer du Groenland), et enfin dorsale de Gakkel qui forme un segment approximativement rectiligne parcourant le bassin eurasien entre le nord-est du Groenland et le talus continental bordant la plateforme de Laptev. dont elle englobe le rift médian^[4] La zone de rift (ou « rift valley ») d’une dorsale océanique est un fossé d’effondrement délimité par des failles normales et situé au centre de la dorsale (d’où le terme « rift médian » ou « rift axial »), lieu de l’écartement (extension tectonique) des plaques tectoniques (océaniques ou continentales) présentes de part et d’autre de celle-ci (cf. le dossier « Les dorsales océaniques » figurant sur le site du CNRS-INSU)., ses coordonnées en son centre sont approximativement de 81~° de latitude nord pour 120~° de longitude, apparaissant dans une zone où la topographie de la dorsale s’aplatit progressivement en direction de la plateforme de la mer de Laptev. Cette immense caldeira est orientée selon l’axe de la dorsale et présente une longueur d’environ 80~km, pour une largeur de 40~km et une profondeur atteignant 1~200~m. De nombreux pics et crêtes, d’une altitude de 500 à 1~000~m (à partir du fond marin), s’observent en périphérie. Selon ses dimensions, il a été estimé que le volume de matériaux volcaniques éjectés lors de l’éruption a dû représenter de l’ordre de 3~000~km³, soit l’équivalent du volume produit par d’autres supervolcans du Quaternaire parmi les plus puissants que l’on connaisse (voir l’encadré ci-dessous) mais présents cette fois-ci en milieu continental et non plus océanique, tels Yellowstone dans le Wyoming ou Toba en Indonésie.

Principales entités (plateformes continentales, dorsales et bassins océaniques) de l’océan glacial Arctique
La position de la caldeira de Gakkel est indiquée par la flèche en rouge
Crédits : Mikenorton (Wikimedia Commons
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Indépendamment des données bathymétriques qui de prime abord ont permis de détecter la présence de cette caldeira, d’autres investigations, sur le plan géophysique, furent mises en oeuvre durant une croisière scientifique ultérieure, en l’occurrence des levés sismiques (en sismique réflexion multicanal) et acoustiques (échosondage multifaisceaux), afin de tenter d’en préciser la morphologie et les dimensions^[5] Ces deux types de levés géophysiques ont été pratiqués en 2014 lors de la croisière scientifique MAGE (pour Marine Arctic Geological Expedition), à bord du navire soviétique « Akademik Fedorov », expédition destinée à collecter des données sismiques et à cartographier les fonds océaniques de la région, en quelque sorte au travers des glaces de la banquise dans la mesure où le navire scientifique intervenait dans le sillage du brise-glace à propulsion nucléaire « Yamal ».. Ces données ont ainsi aidé à visualiser certains traits des versants de la caldeira et tendent à démontrer la contemporanéité entre l’apparition de cette dernière et le fonctionnement de la zone de rift qui était tectoniquement active à cette époque (limite de plaques en divergence) et qui actuellement présente une largeur d’environ 10~km pour une profondeur atteignant 500~m, sa trace étant repérable sur le plancher de la caldeira à 4~800~m sous la surface de l’océan. En parallèle ont été pratiquées des études pétrographiques et paléomagnétiques sur des sédiments prélevés lors de carottages au voisinage de la dorsale de Mendeleïev, située dans le bassin amérasien à bonne distance de la caldeira, prélèvements effectués sur les fonds marins jusqu’à un millier de kilomètres de cette dernière. Ces analyses ont notamment permis de démontrer l’origine volcanique de certains des constituants minéraux présents dans ces niveaux volcano-sédimentaires, d’en déduire qu’ils sont le reflet d’une activité magmatique explosive et de les dater précisément en les reliant à l’éruption de ce supervolcan au cours du Quaternaire^[6] Il s’agit de sédiments marins échantillonnés par carottage durant l’année 2000 au cours d’une précédente campagne du navire de recherches « Akademik Fedorov », puis plus tard en 2012, au niveau de la dorsale de Mendeleïev ou à proximité de cette dernière (dorsale située dans le prolongement de la dorsale Alpha, asismique, et dont la nature reste aujourd’hui encore assez incertaine). Sur ces carottes de sédiments ont été effectuées des mesures de susceptibilité magnétique, d’inclinaison magnétique et d’aimantation rémanente naturelle, ayant permis d’estimer les âges des strates contenant du matériel volcanique, âges dont l’un corrobore celui de la caldeira déduit des taux d’expansion du fond océanique au droit de la dorsale de Gakkel. Une étude minéralogique de ces niveaux volcano-sédimentaires a mis en évidence la présence d’échardes de verre volcanique et de fragments minéraux (amphibole, clinopyroxène, magnétite et titanomagnétite en particulier) dont la nature dénote indubitablement leur origine magmatique. L’un de ces niveaux apparaissant de même âge que celui de la caldeira (déterminé d’après les mesures de paléomagnétisme), il serait de fait contemporain de l’explosion sous-marine de cette dernière, impliquant que les fragments d’origine volcanique qu’il renferme ont été transportés en milieu marin (voir aérien) sur des distances plutôt considérables, tendant à accréditer la puissance extrême de l’éruption..

On retiendra que l’originalité de cette découverte provient du fait que cette méga-caldeira de la dorsale de Gakkel représente à ce jour le seul exemple connu de supervolcan recoupant la zone en expansion d’une dorsale médio-océanique. L’intégralité des supervolcans autres ayant été décrits jusqu’ici de par le monde sont systématiquement situés à l’aplomb de zones de subduction (marges continentales actives ou arcs insulaires) ou à proximité immédiate de telles zones, dans un contexte géodynamique qui apparaît ainsi en compression (limites de plaques convergentes) et non plus en extension, où sont de surcroît réunies des conditions favorables à la genèse de chambres magmatiques géantes au sein de la croûte terrestre, couplées à un volcanisme explosif.

Profils transversaux de la caldeira de Gakkel d’après les levés acoustiques (a) et sismiques (c) réalisés en 2014 lors de l’expédition scientifique MAGE (Marine Arctic Geological Expedition)
Les échelles en abscisse et en ordonnée dénotent respectivement une largeur atteignant une quarantaine de kilomètres pour une profondeur dépassant le millier de mètres.
Illustration issue de l’article original, par Piskarev A. & Elkina D. (2017)

La phase d’éruption principale à l’origine de la création de la caldeira observée ici serait survenue durant le Quaternaire moyen, aux environs de -~1,1 million d’années (Pléistocène inférieur), ce dont témoigne l’âge calculé à partir des vitesses d’expansion du fond océanique de part et d’autre de la dorsale, ainsi que l’âge déduit des mesures de paléomagnétisme sur les sédiments contenant du matériel volcanique (niveaux de tuffites^[7] Tuffite : roche volcano-sédimentaire déposée en milieu marin, contenant 50~% au moins de débris pyroclastiques fins (lapillis, cendres), enrobés dans un ciment argileux ou calcaire, et se présentant en général en couches interstratifiées dans la sédimentation normale environnante (d’après le « Dictionnaire de géologie », par A. Foucault et J.-F. Raoult, aux éditions Masson), niveaux pouvant ainsi traduire autant d’épisodes éruptifs, en l’occurrence de retombées de cendres.) ayant été échantillonnés sur les fonds marins. Cet épisode explosif est en mesure de constituer un élément déterminant dans la compréhension de la localisation du rift médian de la dorsale de Gakkel qui en réalité, dans cette partie tout à fait orientale du bassin eurasien, n’est pas en position axiale mais apparaît sur le versant sud-ouest de la dorsale, traduisant un déplacement récent que les auteurs sont tentés de mettre en relation avec l’éruption et la mise en place de la caldeira. Cette dernière est en fait située non loin de l’extrémité de la dorsale, zone où le rift se transforme en un simple graben^[8] Un graben (mot allemand signifiant fossé) est une structure tectonique produite par l’action de failles normales matérialisant les limites de compartiments de plus en plus affaissés à mesure que l’on se dirige vers le centre de la structure, qui ainsi se traduit généralement dans la morphologie par un fossé d’effondrement (ou fossé tectonique). On en connaît de toutes tailles, le fossé rhénan en constituant un exemple typique. L’apparition d’un graben nécessite une extension tectonique au sein de la croûte terrestre, d’où de fréquentes émissions volcaniques associées, ce qui notamment explique la présence de telles structures aux premiers stades d’une ouverture océanique (définition inspirée de celle du Dictionnaire de géologie, par A. Foucault et J-F Raoult, aux éditions Masson). de quelques centaines de mètres de profondeur à l’approche du talus de la plateforme de Laptev. Les failles délimitant les parois de ce graben sont détectables en profondeur où elles recoupent les séquences sédimentaires et atteignent des niveaux qui dateraient du Crétacé (Mésozoïque supérieur). L’existence d’une zone de suture recoupant le plancher océanique, d’âge mésozoïque à cénozoïque, avait préalablement été suggérée à propos de cette région orientale du bassin eurasien, sans que les données géologiques et géophysiques n’aient été cependant suffisantes (elles ne le sont guère plus actuellement) de façon à identifier la nature exacte de cette structure, la caldeira de Gakkel n’en constituant pas moins un élément singulier tout autant qu’exceptionnel.

Le navire de recherche soviétique Akademik Fedorov
Crédits : Jannej (Wikimedia Commons)
Domaine public

D’autres structures volcaniques d’importance ont antérieurement été mises en évidence au niveau du bassin eurasien et plus particulièrement de la dorsale de Gakkel, notamment en 2001 lors de l’expédition AMORE (Arctic Mid-Ocean Ridge Expedition). Ainsi, la méga-éruption envisagée aujourd’hui n’est probablement pas l’unique éruption de grande ampleur ayant pris place à l’intérieur du bassin arctique au cours du Cénozoïque supérieur, comme en témoigne la présence d’autres niveaux de tuffites, plus anciens ou plus jeunes (datant du Pliocène ou du Pléistocène), au sein des carottes de sédiments analysées au cours de cette étude. Dans la mesure où la dorsale de Gakkel serait d’un type particulier en ce sens qu’elle est qualifiée de dorsale ultralente, dont la zone de rift est de nos jours « amagmatique » (bien que sismogénique, elle ne serait plus actuellement le lieu d’un magmatisme actif entraînant une accrétion de croûte océanique nouvelle), elle induirait directement l’exposition de péridotites du manteau supérieur sur le fond marin plutôt que la mise en place de gabbros et de basaltes constitutifs, respectivement, des horizons moyen et supérieur de la croûte océanique. Il convient ainsi de considérer cette dorsale comme représentant une limite de plaque particulière en comparaison d’une ride médio-océanique classique, siège d’une activité magmatique à l’origine d’une expansion du plancher océanique. Les auteurs envisagent que la caldeira identifiée ici pourrait correspondre à une nouvelle forme de volcanisme, du moins celui-ci interviendrait-il dans un contexte géodynamique spécifique, en lien avec un tel modèle de limite de plaque atypique (dorsale ultra-lente conduisant à un affleurement du manteau). En tout état de cause, elle représente l’éruption du Quaternaire la plus puissante ayant à jamais laissé des traces plus que significatives, sinon spectaculaires, dans la topographie et la sédimentation des fonds marins de l’Arctique.

Le lac Toba sur l’île de Sumatra, soulignant les contours de la caldeira éponyme qui, bien que plus allongée, présente une superficie (100~km x 30~km) très comparable à celle de la caldeira de Gakkel (80~km x 40~km)
Image spatiale en fausses couleurs issue du programme Landsat
Source : NASA (Wikimedia Commons)
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Compte tenu du volume, jugé considérable, de matériaux volcaniques ayant été éjectés au moment de l’éruption, on peut suspecter que ceux-ci aient impacté tant l’hydrosphère que l’atmosphère (par le biais de gaz magmatiques et pas seulement de laves et de cendres). La survenue de certaines phases de changement climatique au cours du Quaternaire et plus précisément du Pléistocène, du moins de modifications relativement ponctuelles, pourrait ainsi trouver ici une explication si l’on considère qu’elles sont liées à de tels évènements volcaniques catastrophiques, qui de surcroît auront été susceptibles d’affecter les êtres vivants, dont nos ancêtres hominiens. Parmi de tels cataclysmes, l’explosion du supervolcan de Toba, sur l’île de Sumatra, aux environs de -~75~000 ans avant le présent (Pléistocène supérieur), pourrait avoir engendré ce type de perturbation du climat dans la mesure où il a récemment été démontré qu’elle a dû s’accompagner d’un impact écologique important. De tels bouleversements furent heureusement passagers, le temps notamment que les cendres ne retombent et que les gaz ne se dissipent. Il en va tout différemment du changement planétaire que nous connaissons aujourd’hui (un réchauffement et non plus un refroidissement) qui devrait aller en s’intensifiant, avec les conséquences que l’on sait, si nous ne nous décidons à diminuer au plus vite et de manière drastique nos propres émissions d’aérosols et de gaz à effet de serre !…