Morphologies of conductive structures inside and around the Las Cañadas caldera, Tenerife, Canary islands

Les roches constituant les édifices volcaniques présentent des propriétés de résistivité électrique extrêmement variables dues notamment à l’hétérogénéité des dépôts volcaniques. Cette propriété physique est directement liée aux minéraux constituant ces roches, à la conductivité électrique de fluides susceptibles de les imbiber (eau, fluides géothermaux) ou encore à leur porosité. De la distribution spatiale de cette propriété électrique, il est alors possible de déduire les structures internes d’un édifice afin d’en comprendre l’évolution temporelle. De surcroît, ces mêmes caractéristiques, validée par des mesures hydrogéologiques, permettent d’appréhender l’organisation très complexe des écoulements souterrains dans ce type de milieu. La caldera de Las Cañadas de Tenerife (Iles Canaries, Espagne) est une gigantesque dépression (16 x 9 km) remplie de dépôts yroclastiques et de coulées de lave issus du complexe volcanique Teide – Pico Viejo (TPVC). Son origine est fortement controversée. Deux théories s’affrontent sur des bases géologiques, volcanologiques, pétrologiques, stratigraphiques, géochimiques et géophysiques. La première, renforcée par des évidences morphologiques de Tenerife, soutient une formation par effondrements latéraux successifs alors que la seconde propose des effondrements verticaux successifs, n’excluant pas les effondrements latéraux. Dans le but d’éclaircir l’ambiguïté liée à la formation de cette caldera, ce travail de thèse se propose d’investiguer et de révéler sa structure interne par des méthodes géophysiques. Grâce à plus de 250 sondages audio-magnétotelluriques (bande de période : 0.3 - 0.001 s.) réalisés dans le périmètre de la caldera de Las Cañadas et dans ses environs entre 2004 et 2006, cette étude apporte de solides arguments géophysiques en faveur de la seconde hypothèse. A l’intérieur de la caldera, les modélisations 1-D mettent en évidence la présence d’un horizon conducteur (10-150 Ωm) entre 30 et 1200 m de profondeur sur l’ensemble du territoire prospecté, soulignant l’empilement électriquement résistant constitué par les laves récentes du complexe volcanique actif Teide – Pico Viejo. Son origine est attribuée à d’intenses processus d’altération hydrothermale, très certainement associés aux évènements catastrophiques (effondrements verticaux) ayant affecté la partie centrale de l’île. Cette cartographie haute résolution des propriétés électriques de la caldera de Las Cañadas permet de proposer l’emplacement d’édifices volcaniques majeurs, semblables aux actuels Teide et Pico Viejo, ayant participé à la formation de la caldera de Las Cañadas. En outre, la cartographie de l’horizon conducteur présente une succession de dépressions étayant la théorie des effondrements successifs, également en accord avec la distribution des débits d’eau souterraine exploitée dans l’édifice volcanique. D’autre part, l’étude des strikes révèle une influence majeure du complexe Teide – Pico Viejo sur toute la caldera. Au-delà de ses murs, la présence d’un horizon conducteur, de résistivité généralement plus homogène suggère une origine liée aux processus de friction durant les effondrements de flanc, couplée ou non, aux processus d’altération hydrothermale. La géométrie actuelle de ce conducteur permet une estimation des volumes colossaux de roches (plusieurs centaines de km3) mis en mouvement lors de pareilles catastrophes., Being an extremely heterogeneous medium, electric resistivity of volcanic rocks extends over a large range. This physical property is strongly related to the minerals that form these rocks, to the electrical conductivity of fluids that may soak through the rocks, or to the bulk porosity. The spatial distribution of this property allows to infer internal structures of a volcanic edifice and to appreciate its temporal evolution. Moreover, these characteristics, correlated with hydrogeological data, enable an understanding of the complex organisation of groundwater flows in such a medium. The Las Cañadas caldera (LCC) of Tenerife (Canary Islands, Spain) is a well exposed caldera depression filled with pyroclastic deposits and lava flows from the active Teide – Pico Viejo complex (TPVC). The caldera’s origin is controversial as both the formation by huge lateral flank collapse(s) and multiple vertical collapses have been proposed (based on geological, volcanological, petrological, stratigraphical, geochemical and geophysical data). Although vertical collapses may have facilitated lateral slope failures and thus jointly contribute to the exposed morphology, their joint contribution has not been clearly demonstrated. Thus, the main objective of this thesis aims at tighten its origin with geophysical methods. Using more than 250 audio-magnetotelluric soundings (0.3 – 0.001 s.) carried out inside and around the Las Cañadas caldera between 2004 and 2006, this study provides consistent geophysical constraints in favour of multiple vertical caldera collapse. Inside the caldera, one-dimensional modelling reveals a conductive layer (10-150 Ωm) at shallow depth (30-1200m), presumably resulting from hydrothermal alteration and weathering, underlying the infilling resistive top layer. We present the resistivity distribution of both layers (resistivity images), the topography of the conductive layer across the LCC, as well as a cross-section in order to highlight the caldera’s evolution, including the distribution of earlier volcanic edifices. The morphology of the conductive layer shows multiple depressions in good agreement with the distribution of groundwater flow rates around the LCC. The AMT phase anisotropy reveals the structural and radial characteristics of the LCC. Being more homogenous around the Las Cañadas caldera, the resistivity of the conductive layer suggests an origin related to the formation of the lateral landslides, coupled or not, with hydrothermal alteration processes. The morphology of this layer, with respect to the current topography of the islands, enables an assessment of the giant volumes (hundreds of cubic km) removed during flank collapses.

Thèse de doctorat : Université de Neuchâtel, 2007 ; Th.1975