La dorsale est-Pacifique entre 10° et 20° S. Alternance du

Géomorphologie : relief, processus, environnement, 2005, n° 2, p. 105-120
La dorsale est-Pacifique entre 10° et 20° S.
Alternance du volcanisme et de la tectonique
le long de la zone active axiale
The East Pacific Rise (EPR) between 10° and 20° S.
Alternating volcanism and tectonics
along the active axial zone
Yves Lagabrielle*
Résumé
Entre 10° S et 20° S, l'axe de la dorsale est-Pacifique s'ouvre à une vitesse comprise entre 150 et 160 mm/an, ce qui en fait la frontière
en accrétion la plus rapide du monde (dorsale ultra-rapide). Deux secteurs de l'axe ont été explorés lors de 23 plongées du submersible
Nautile durant la campagne Naudur (1993). Le premier secteur, au nord, situé entre 17° 10' S et 17° 25' S correspond à un seul long
segment d'accrétion. Il est caractérisé par la régularité du profil topographique transversal et par l'absence de fossé sommital. Le second,
situé plus au sud, entre 18° 15' S et 18° 37' S, comprend deux segments, présentant tous deux un fossé sommital (caldera axiale). Sur
la base des observations morphologiques, ces différents segments sont comparés sur le plan volcanique, tectonique et hydrothermal. La
forte variabilité morphostructurale de l'axe est ainsi mise en avant, révélant une emprise importante de l'alternance des processus tec-
toniques et volcaniques sur l'édification et l'évolution des reliefs sous-marins. À 17° 10' S et à 17° 25' S, en phase entièrement volca-
nique, l'activité se localise sur une étroite zone de lacs de lave au sommet du dôme axial. Entre 18° 10' S et 19° 00' S, les processus
tectoniques sont actifs et le volcanisme est localement dormant. Les mouvements tectoniques se localisent dans un fossé axial, de 200
à 800 m de large, montrant de nombreuses failles et fissures entaillant le sommet du dôme. La zone explorée à 18° 34' S se caractérise
par des laves subactuelles emplissant le fossé axial. Ceci témoigne du passage d'un stade tectonique à un stade volcanique et confirme
l'alternance des processus amagmatiques et magmatiques, en phases bien distinctes, aux courtes échelles de temps.
Mots clés : dorsale ultra-rapide, dôme axial, caldera axiale, failles, fissures, coulées de lave.
Abstract
Between 10° S and 20° S, the ultrafast East Pacific Rise is currently spreading at a rate of 150-160 mm/yr. Two areas of the axis of the
EPR have been surveyed during 23 dives of the manned submersible Nautile (Naudur Cruise, 1993). The northern area is located bet-
ween 17° 10' S and 17° 25' S and corresponds to a single, elongated spreading segment. It is characterized by a smooth cross-sectio-
nal profile and by the lack of an axial summital depression. The southern area includes two separate spreading segments, both having
a summital axial depression (axial caldera). The volcanic, tectonic and hydrothermal activities of these different segments are compa-
red. We emphasise on the important morphostructural variability of the axial region which shows a strong imprint of alternating vol-
canic and tectonic processes on seafloor morphology. Volcanic processes are dominant at 17° 10' S and 17° 25' S, where the activity is
restricted to a narrow corridor of lava lakes exposed at the summit of the axial dome. Between 18° 10' S and 19° 00' S, tectonic pro-
cesses are dominant and volcanism may be quiescent. Current activity is localized within an axial depression, 200 to 800 m wide, sho-
wing numerous faults and fissures which notch the summit of the axial dome. At 18° 34' S, very recent lava flows are emplaced within
this central depression. This indicates recent change and local evolution from a tectonic to a volcanic stage.
Key words: ultrafast spreading ridge, axial dome, axial caldera, faults, fissures, lava flows.
* UMR 5573, Laboratoire Dynamique de la Lithosphère, CC 60, ISTEEM – Université des Sciences et Techniques du Languedoc (Montpellier 2), Place
Eugène Bataillon, 34095 Montpellier Cedex 5. Courriel : Y[email protected]

Abridged English version
Between 10° S and 20° S a large segment of the East Paci-
fic Rise (EPR) shows accretion rates from 141 to 162 mm/y,
the fastest ever measured (Naar and Hey, 1989; DeMets et
al., 1990; Perram et al., 1993; Cormier and Macdonald,
1994). Between 17° and 18° 37' S the spreading axis is a
2600 m-deep, elongated dome and consists of three 25 to 40
km-long segments (segments I, J, K) separated by second
order discontinuities at 18° 22' S and 18° 37' S. This area has
been intensively surveyed since 1984 (Renard et al. 1985;
Bäcker et al., 1985; Lonsdale, 1989; Macdonald et al., 1991,
1992; Scheirer et al., 1993; Cormier and Macdonald, 1994).
A very shallow (less than 1 km-deep) seismic reflector inter-
preted as the top of the magma chamber has been identified
by OBS and multichannel seismic surveys (Detrick et al.,
1993) at 17° 22' S. In 1984 the submersible Cyana carried
out 8 dives between 17° 30' and 21° 30' S (Renard et al.,
1985; Bäcker et al., 1985; Gente, 1987) and discovered fos-
sil hydrothermal deposits in collapsed lava lakes.
In this paper we present unpublished morphological obser-
vations made during the Naudur cruise of the submersible
Nautile (1993). The objective of the Naudur cruise was to
carry out geological explorations along different segments of
the EPR located between 17° and 19° S in order to study the
interactions between magmatic, tectonic and hydrothermal
processes along an ultra-fast spreading axis. Twenty three
dives have thus been navigated along and across axis in dif-
ferent areas centred around 17° 10' S, 17° 25' S, 18° 15' S and
18° 25' S. These allowed crucial observations and important
sampling, and led to further studies of tectonic and magmatic
processes along the axial region of the EPR (Auzende et al.,
1994; Fouquet et al., 1994; Geistdoerfer et al., 1995; Auzende
et al., 1996; Caroff et al., 1997, Lagabrielle and Cormier,
1999; Lagabrielle et al., 2001; Garel et al., 2002).
In the 17° 10' S region (zone A), the spreading axis is a
dome culminating at a depth of 2600 m. It is devoid of a
summital depression. Two main types of lavas have been
observed: pillows and tubes on the flanks of the ridge, and
fluid, lobate lavas at the axis. The pillows and tubes are cap-
ped by a very thin sedimentary cover, but the fluid lavas are
extremely fresh and lack a sedimentary cover. In the very
axial part of the dome, one or two parallel fissures cut
through the most recent lobate flows, thus highlighting the
location of the active region.
The 17° 25 S region (zone B) also shows an axial dome
culminating at 2600 m below sea level (mbsl), and devoid of
a wide axial depression. This region was surveyed during
Cyana dives in 1984 (Geocyarise cruise: Renard et al.,
1985). At that time, the magmatic activity was concentrated
only along an axial alignment of narrow collapsed lava
lakes, and hydrothermal activity was not important. The 6
dives carried out in this region during the Naudur cruise
reveal that important changes in morphology and magmatic
and hydrothermal activities have occurred since 1984.
In contrast with the previous zone, the axial domain south
of 18° 00' S is characterized by a wide depression bounded by
two ridges culminating around 2650 m. North of 18° 20' S
(zone C), where 5 dives were conducted (7, 14, 15, 16, 17),
the axial depression has a maximum width of 800 m and
may include a secondary axial depression with a maximum
depth of 80 m, bounded by two steps. The main boundary
faults of the graben have a total vertical offset of 30-40 m.
The bottom of the central valley shows intense faulting.
Open fissures, a few metres wide, are extremely common.
Some separate small horsts only a few metres wide and 10
metres high. These very fragile features are locally tilted.
Volcanic rocks include: (a) chaotic, brecciated, and draped
lavas on the flanks of the axial dome, (b) thick pillow lava
formations at the edge of the graben, and (c) collapsed lava
lakes with relict pillars up to 10-15 m high, and associated
pillows in the central graben. These latest volcanic forma-
tions are well exposed along the walls of the open fissures.
The region between 18° 22' S and 18° 34' S (zone D) also
exhibits a complex morphology with a 200 to 500 m wide
axial depression bounded by 2 asymmetrical ridges culmina-
ting at 2600 mbsl (eastern side) and 2700 mbsl (western side).
Six dives were conducted in that area (7, 8, 13, 10, 11 and 12).
Intense tectonic activity also occurs within the central depres-
sion as shown by the numerous open fissures, up to 10 m wide,
which separate pillow ridges. A uniform sedimentary cover, a
few millimetres thick, is observed throughout the entire
domain. Between 18° 34' S and 18° 37' S, the axial zone
consists of a 50 m deep and 200 m wide summital graben
bounded by two vertical, symmetrical walls in which poorly
tectonized, lobate lavas, lava lakes and massive lava flows
have been emplaced. Extremely recent flows have been obser-
ved covering recent lavas and scree breccias. Hot water has
been seen in places escaping from the surface of the lavas.
The temperature of the water increased by 2.5 °C around the
submersible when navigating 2-3 m over these recent lava
flows. No hydrothermal deposits were observed in this region.
These observations highlight the important morphostruc-
tural variability of the axial region of the ultrafast spreading
EPR and the strong imprint of alternating volcanic and tec-
tonic processes on seafloor morphology. Volcanic processes
are dominant at 17° 10' S and 17° 25' S, where the activity
is restricted to a narrow corridor of lava lakes at the
summit of the axial dome. Between 18° 10' S and 19° 00' S,
tectonic processes are dominant and volcanism may be
quiescent. The current activity is located within a central
depression, 200 to 800 m wide, showing numerous faults
and fissures, that notches the summit of the axial dome. At
18° 34' S, very recent lava flows are emplaced within this
central depression. This indicates an evolution from a tecto-
nic to a volcanic stage.
Introduction
Les dorsales océaniques sont des bombements des fonds
marins de très grande amplitude, à pente générale très faible,
s'élevant au dessus des plaines abyssales. Elles sont souli-
gnées sur une carte mondiale par le contour de l'isobathe
4000 m. Leur sommet est à la profondeur moyenne de
2500 m, mais des exceptions locales existent, en relation
avec la présence d'une zone de manteau anormalement
106 Géomorphologie : relief, processus, environnement, 2005, n° 2, p. 105-120
Yves Lagabrielle

chaud sous-jacente (point chaud), qui tend à accentuer les
reliefs et localement à faire émerger la crête de la dorsale
(exemple de l'Islande). Le relief des dorsales, généralement
symétrique, est large de 2 à 3000 kilomètres. Les dorsales
mondiales des grands océans sont totalement interconnec-
tées (longueur totale cumulée à travers l'océan mondial de
60 000 km). Elles représentent la plus grande structure active
continue du globe.
La crête ou zone axiale des dorsales, appelée axe, est l'en-
droit où se concentrent les activités sismique, tectonique,
volcanique et hydrothermale. Dans le cadre de la tectonique
des plaques, l'axe d'une dorsale représente donc une fron-
tière en divergence, siège de la création de la nouvelle litho-
sphère océanique. Les magmas issus de la fusion d'un faible
volume du manteau remontant lentement sous l'axe s'écou-
lent en surface sous forme de coulées volcaniques ou sont
figés soit dans des filons (complexe filonien), soit dans des
réservoirs magmatiques à quelques kilomètres sous l'axe où
ils cristallisent lentement (gabbros). Par ce processus, des
volumes de matière extraite du manteau viennent s'ajouter
régulièrement aux bordures des plaques lithosphériques
(processus de l'accrétion océanique). On calcule les taux
moyens d'ouverture des dorsales par l'analyse des anomalies
magnétiques du plancher océanique. On distingue les dor-
sales rapides et ultra-rapides dont les taux d'ouverture se
situent entre 8 cm/an (soit 80 km/Ma) et 16 cm/an, des dor-
sales intermédiaires (autour de 6 cm/an) et des dorsales
lentes à ultra-lentes (entre 3 et 0,5 cm/an). Malgré les très
nombreuses campagnes d'observation par submersible ou
par robot, il n'a pas été possible jusqu'à présent d'assister "en
direct" à une éruption le long d'une dorsale océanique.
L'océan Pacifique comprend quatre dorsales actives : la
dorsale est-Pacifique, East Pacific Rise (EPR) (dorsale
rapide à ultra-rapide), la dorsale Cocos-Nazca au large de
l'Amérique centrale, la dorsale du Chili au sud de l'île de
Pâques et au nord-est, la dorsale Juan de Fuca, connectée à
la terminaison nord de la faille de San Andreas. L'axe de la
dorsale atlantique présente une vallée longitudinale presque
continue, ou rift axial,large de 10 à 30 km, profonde de
2 km en moyenne et limitée par des failles normales, alors
que l'axe de la dorsale est-Pacifique est un dôme régulier
avec, dans 20 % des cas seulement, une étroite caldera
axiale. La différence morphologique entre les dorsales
lentes et rapides reflète une différence de fonctionnement
fondamentale liée au régime thermique et donc à l'épaisseur
lithosphérique. L'épaisseur de la lithosphère à l'axe des dor-
sales rapides est de l'ordre de 1 à 2
km, correspondant à ce qui se trouve
au dessus du réservoir magmatique.
Cette épaisseur est dix fois moindre
que celle des dorsales lentes. La
réponse à la traction exercée par la
divergence des plaques se traduit dans
ce cas par l'ouverture d'une simple
fente à l'échelle des plaques d'où
s'échappent les magmas, sans que le
dôme ne s'effondre. Dans le cas des
dorsales lentes, il s'agit à l'inverse
d'une déformation affectant une épais-
seur et une largeur plus importantes,
conduisant à l'ouverture d'un fossé
tectonique large, à l'image de la créa-
tion des fossés continentaux (rifts du
Rhin, de l'Afrique, du Baïkal).
Dans cet article, nous présentons
des données inédites sur la morpholo-
gie de détail de la dorsale est-Paci-
fique (fig. 1), acquises durant une
campagne de plongées du submer-
sible Nautile en 1993 (Campagne
107
Géomorphologie : relief, processus, environnement, 2005, n° 2, p. 105-120
Alternance du volcanisme et de la tectonique à l'axe de la dorsale est-Pacifique
Fig. 1 – Localisation de la zone étudiée.
A : carte simplifiée de l'océan Pacifique
oriental montrant l'axe des dorsales océa-
niques ; B : schéma d'un OSC (overlapping
spreading center).
Fig. 1 – Location of the study area. A:
simplified map of the eastern Pacific Ocean
showing the axis of the active spreading
ridges; B: sketch of an OSC (overlapping
spreading centre).

Naudur cf. Auzende et al., 1994) dans un secteur où la
vitesse d'ouverture est la plus rapide au monde. Ces données
montrent la variabilité, le long de l'axe, de la morphologie
de la région active, siège d'une intense activité à la fois vol-
canique et tectonique. L'article met en évidence de pro-
fondes différences morphologiques directement liées à l'al-
ternance dans l'espace et dans le temps, de processus à vol-
canisme soit dominant soit dormant.
La dorsale est-Pacifique : morphologie
et signification volcano-tectonique
L'axe des dorsales rapides comme la dorsale est-Pacifique
(EPR) est remarquablement lisse comparé à l'axe des dor-
sales lentes et se présente toujours comme un dôme aplati
(fig. 2) (Macdonald and Fox, 1988 ; Garel, 2001).La forme
de ce dôme est variable, allant d'un U renversé à un V ren-
versé, très aplati (Scheirer et Macdonald, 1993), comme le
montre la série de profils topographiques de la figure 3. On
a pu montrer que ces formes sont directement contrôlées par
la production de liquides magmatiques dans la colonne
montante sous-jacente du manteau en fusion partielle. Un
dôme large correspond à une zone à forte production mag-
matique. Cependant, il ne faut pas en déduire que le relief de
l'axe est d'origine construite. En effet, il ne résulte pas d'une
accumulation de laves, mais il est soutenu de façon dyna-
mique par le flux de manteau sous–jacent et par la compen-
sation isostatique. Entre la zone de fracture Garrett (13° S)
et la microplaque de l'île de Pâques (23° S) le taux d'accré-
tion de la dorsale est-Pacifique est le plus rapide au monde
(entre 141 et 162 mm/an selon les auteurs cf. Naar et Hey,
1989 ; DeMets et al., 1990 ; Perram et al., 1993).
Le bloc-diagramme de la figure 2 permet de visualiser la
plupart des éléments caractéristiques du relief axial ainsi
que la structure crustale de l'EPR. Sous l'axe existe un
réflecteur sismique quasi-continu, indiquant la présence
d'une zone de liquide magmatique (1 km de large et de 50-
100 m à 2-3 km d'épaisseur sous l'axe) (Detrick et al., 1993).
Cette poche en forme de sill, la lentille magmatique, est
située au-dessus de la zone à faible vitesse sismique repré-
sentant un mélange de cristaux et de liquide magmatique
dans des proportions de 2 à 20 % de liquide. Cette poche de
bouillie cristalline (crystal mush) est plus chaude à sa base,
108 Géomorphologie : relief, processus, environnement, 2005, n° 2, p. 105-120
Yves Lagabrielle
Fig. 2 – Bloc diagramme montrant l'organisation en surface et
en profondeur de la zone axiale d'une dorsale rapide.
Fig. 2 – 3D diagram showing the vertical and horizontal struc-
tures of the axial zone of a fast-spreading ridge.

juste au-dessus du manteau, aux alentours de 1250 °C, et se
trouve refroidie efficacement par la circulation hydrother-
male, d'une part à son toit d'où s'échappent les dykes et
d'autre part sur ses bordures où cristallisent les gabbros (iso-
therme 1000 °C à 800 °C).
Dans 75 % des cas, le sommet du dôme, situé entre 3000 m
et 2500 m de profondeur en général, présente une morpho-
logie très régulière, occupé simplement par un lac de lave
évidé et ses piliers ou bien recoupé par des fissures axiales
d'où s'écoulent des basaltes. Les laves sont émises à partir
d'une fissure large de quelques mètres, située au sommet
du dôme. La zone néovolcanique est donc étroite
(50 m–500 m) et localisée au sommet du dôme axial ; les
laves sont fluides, principalement lobées et drapées. Tou-
tefois, dans 25 % des cas environ, ce dôme peut être
entaillé d'un fossé de 1 km de large en moyenne, peu pro-
fond (maximum 100 m, fig. 2 et fig. 3) en forme d'amande
très allongée, représentant une caldera sommitale due à la
vidange et à l'affaissement du réservoir magmatique situé
à 2-3 km en dessous (Lagabrielle et Cormier, 1999 ; Laga-
brielle et al., 2001 ; Garel et al., 2002). Le fond de ce fossé
est très fissuré, et l'activité volcanique y est réduite,
comme nous le montrons dans cet article. Dans ces
contextes de volcanisme momentanément plus réduit, les
pillow lavas sont dominants.
À 2 ou 3 km de part et d'autre du dôme axial, on note la
présence permanente de deux fossés latéraux. Il s'agit de
dépressions d'origine tectonique, correspondant à des gra-
bens suspendus sur les flancs du dôme (fig. 2 et fig. 3). Ces
structures linéaires et continues, longues de plusieurs
dizaines de kilomètres en général sont fossilisées durant
l'écartement progressif des plaques et construisent la mor-
phologie typique des fonds océaniques des dorsales : les col-
lines abyssales. Dans une étude en submersible, consacrée à
l'origine de ces structures, K. C. Macdonald et al. (1996),
montrent que ces grabens sont souvent asymétriques, la
faille bordière interne pouvant aussi servir de voie à la mise
en place de magma. Le remplissage des dépressions par des
coulées de lave venant du sommet du dôme axial conduit à
effacer localement la trace des failles.
L'axe de l'EPR est segmenté (Gente, 1987 ; Macdonald et
al., 1991). Il est découpé en tronçons séparés par des failles
transformantes de grande ampleur qui s'accompagnent d'un
décalage latéral important de l'axe (parfois plusieurs cen-
taines de km, fig. 1) ou par des discontinuités de moindre
importance. Celles-ci sont baptisées OSC (overlapping
spreading center, Macdonald et Fox, 1983) lorsque les axes
des deux extrémités se recouvrent partiellement (fig. 1). Les
segments de l'EPR au sud de l'équateur sont très longs et
continus, notamment au sud de la faille transformante de
Garrett (13° S) (Lonsdale, 1989). Ils ont été baptisés d'une
lettre, de A à M du nord vers le sud. Entre 14° S et 16° S, les
segments présentent très peu de décalage latéral, et attei-
gnent plus de 100 km de long. À partir de 16° S, apparais-
sent des OSC plus fréquents (à 16° 30', 17° 50', 18° 22' et
109
Géomorphologie : relief, processus, environnement, 2005, n° 2, p. 105-120
Alternance du volcanisme et de la tectonique à l'axe de la dorsale est-Pacifique
Fig. 3 – Série de profils bathymétriques recoupant l'axe de la
dorsale du Pacifique sud-est à différentes latitudes montrant les
types de dômes, d'après E. Garel (2001).
Fig. 3 – Bathymetric cross-sections of the axis of the east Paci-
fic Rise at various latitudes showing wide and narrow axial
domes, after E. Garel (2001).