Le volcanisme ignimbritique des canyons Ocoña - Cotahuasi (Sud du Pérou) : chronostratigraphie, sources et liens avec la surrection andine

par Aude de La Rupelle

Thèse de doctorat en Volcanologie

Sous la direction de Jean-Luc Le Pennec.

Soutenue le 27-09-2013

à Clermont-Ferrand 2 , dans le cadre de École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand) , en partenariat avec Laboratoire Magmas et Volcans (équipe de recherche) .

Le président du jury était Hervé Martin.

Le jury était composé de Jean-Luc Le Pennec, Georges Boudon, Hervé Guillou.

Les rapporteurs étaient Georges Boudon, Hervé Guillou.


  • Résumé

    La Cordillère des Andes, issue de la subduction de la plaque Pacifique sous le continent Sud-Américain, est un système orogénique propice à la formation de grands systèmes volcaniques acides, dans lesquels coexistent des produits d’éruptions volcaniques explosives de grandes magnitudes et des laves et dômes, associés à des calderas mono- ou polygéniques. Ce mémoire de thèse apporte de nouvelles connaissances sur certains systèmes volcaniques acides du Sud du Pérou, dont les produits affleurent dans les canyons d’Ocoña-Cotahuasi-Maran (OCM). Ces canyons, les plus profonds des Andes (3 à 3,5 km), résultent de la combinaison des processus de soulèvement tectonique, d’incision, et d’érosion depuis 15 Ma. Les imposantes séries ignimbritiques exposées dans cette région (env. 10000 km²), témoignent de l’existence d’un volcanisme explosif de grande ampleur, associé à des systèmes acides peu connus d’après les études antérieures. Cette étude vise tout d’abord à obtenir une chrono-stratigraphie améliorée des événements ignimbritiques (groupes, unités) dans la région OCM pour mieux connaître les récurrences des super-éruptions dans cette région au cours des derniers 25 Ma. Ensuite, nous cherchons à localiser les sources des grandes unités et à identifier les éventuelles structures d’effondrement associées (calderas). Pour ce faire, nous avons combiné diverses techniques, associant l’étude de la stratigraphie et de la lithologie des dépôts volcaniques, les datations par la méthode 40Ar-39Ar des principales unités ignimbritiques et coulées de lave, l’imagerie satellitaire (Landsat, SPOT) et la pétrologie (assemblages minéralogiques, étude des textures et des compositions chimiques) et enfin, les mesures de densité et d’anisotropie de susceptibilité magnétique des ignimbrites (ASM) pour analyser les directions d’écoulement et tenter de localiser leurs sources. Ainsi, les résultats nous ont permis d’identifier huit événements ignimbritiques, dont six majeurs, datés entre ~24 Ma et ~2 Ma. Les âges des grandes unités (Nazca, Alpabamba, Huaylillas, Caraveli, Sencca inférieure et supérieure) montrent une récurrence moyenne de l’ordre de 4-5 Ma depuis 25 Ma. Les lithologies sont assez semblables, bien que les degrés de soudure varient beaucoup, allant de produits meubles jusqu’aux faciès eutaxitiques. L’étude pétrologique révèle des assemblages de minéraux assez homogènes, les paragenèses étant dominées par le quartz, le feldspath, la biotite, l’amphibole et des oxydes. Les volumes bruts des unités principales que nous avons déterminés se situent entre ~40 et ~500-800 km3. Cependant, il ne s’agit que de valeurs minimales, puisque nous considérons que les volumes initiaux sont au moins le double ou le triple, probablement dans la gamme ~100 à ~2400 km3. La distribution des unités ignimbritiques d’OCM et les résultats des analyses ASM désignent plusieurs zones sources. L’unité de Caraveli provient de la caldera de Trapiche, qui contient le lac Parinacochas. Cette structure que nous identifions, d'un diamètre de ~22 km, est située dans un bassin tectonique allongé selon la direction N-S. Elle est occupée dans sa partie ouest par un dôme résurgent de 800 m de haut, le Cerro Trompo Orjo. Les unités Huaylillas et Alpabamba, ainsi que les groupes Sencca (inférieure et supérieure) seraient issus d’une source entièrement recouverte par le massif volcanique quaternaire du Nevado Coropuna. Des estimations de volumes éruptifs suggèrent une atténuation significative du volcanisme ignimbritique depuis 9 Ma, peut-être liée à la maturation orogénique de l’Altiplano-Puna. En profondeur, le magmatisme a probablement contribué à l’épaississement crustal par adjonction de grands volumes de magma. (...)


  • Résumé

    The Andes, resulting from the subduction of Pacific plate under South-America continental plate, is an orogenic system suitable for large acidic volcanic systems formation. These structures display at the same time volcanic products from high magnitude explosive eruptions, lavas and domes, and mono- or polygenetic calderas. This manuscript brings a new expertise on some of the acidic volcanic systems in South Peru, which products outcrop in the Ocoña - Cotahuasi - Maran canyons (OCM). This canyons system, one of the deepest worldwide (up to 3.5 km), was created by combined tectonic uplift, incision and erosion processes since 15 Ma. Voluminous ignimbritic series widespread in this region (around 10000 km2) are evidences for a past high amplitude explosive volcanic activity related to little-known acidic systems. The topic of this study is to obtain an enhanced chrono-stratigraphy of the OCM region ignimbritic succession (groups and units). This would provide a better knowledge on the regional super-eruptions recurrence since the last 25 Ma. Then, we focus on localizing the largest ignimbrites sources and identify the possible related collapse structures (calderas). For that purpose we combine several studies, from stratigraphy, deposits lithology to 40Ar-39Ar dating of the main ignimbritic units and lava flows. We also use satellite imagery (Landsat, SPOT) and petrology (mineralogical assemblage, textures and geochemical composition). Finally, we measure the ignimbrites density and anisotropy of magnetic susceptibility (AMS) to determine their flowing directions and estimate their sources locations. Thus, the results let us identify eight ignimbritic events among which, six happened between ~24 Ma and ~2 Ma. The main units ages (Nazca, Alpabamba, Huaylillas, Caraveli, lower and upper Sencca) show an average recurrence of 4-5 Ma since 25 Ma. Lithologies are similar even if welding degrees ranges are spread from loose deposits to eutaxitic facies. Petrological study show quite homogeneous mineralogical assemblages since quartz, feldspar, biotite, amphibole and oxydes dominate the paragenesis. Our estimations of the main units bulk volumes range from ~ 40 to ~ 500-800 km3. However, these are only minimum values since we consider that initial volumes as twice or three times higher, probably in the range of ~100 to ~2400 km3. The OCM ignimbrite flow units distribution and the AMS study results indicate several regions as sources for these units. Caraveli unit flowed from Trapiche caldera in which the Parinacochas lake rests. This structure is estimated to be ~22 km of diameter and lays in a N-S orientated tectonic basin. Its western part is occupied with a 800 m high resurgent dome, named Cerro Trompo Orjo. Alpabamba and Huaylillas units, as Sencca units (lower and upper) would come from a source presently entirely covered with the quaternary massif of Nevado Coropuna. Estimations of eruptive volumes recall an important decrease of ignimbritic volcanism since 9 Ma, which might be related to simultaneous Altiplano-Puna orogenic growing. It is supported that deep magmatism have probably contributed to crustal thickening thanks to the addition of large volumes of magma. These results also involve that canyons erosion and incision would have taken place at a rate ranging from 150 to 500 m/Ma during the last 13 Ma. Given that the large-volume acidic system studied in this work is considerable, further research are necessary to improve these results.


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