La province magmatique d’Emeishan en Chine

En montant au sommet du mont Emei (Emeishan) et en contemplant la mer de nuages qui s’étend en contrebas certains jours, on comprend pourquoi les bouddhistes l’ont considérée comme une montagne sacrée dès qu’ils se sont installés en Chine. Elle se trouve dans la province du Sichuan, montagneuse à l’ouest, du côté du Tibet, et occupée par un bassin à l’est. La grande ville de Chengdu a été bâtie à la bordure occidentale du bassin. De là, il faut parcourir environ 170 kilomètres pour arriver au mont Emei. Celui-ci a donné sont nom à une petite ville située à proximité, Emeishan.

Outre la beauté de la végétation, que les abondantes pluies d’été rendent exubérante, de remarquables falaises de roches noires sont visibles sur les flancs de cette montagne culminant à 3 099 mètres d’altitude. C’est du basalte, une roche volcanique beaucoup plus abondante au fond des océans que sur les continents. On trouve de tels affleurements plus au sud, dans la province du Yunnan, dans celles du Guizhou et du Guangxi à l’est du Yunnan et même dans le nord du Vietnam, de l’autre côté d’un immense faille décrochante (c’est-à-dire coulissante) dans laquelle coule le fleuve Rouge. À cause d’elle, les affleurements vietnamiens ont été décalés vers le sud-est, par rapport à la Chine.

Emplacement de la province magmatique (*Large Igneous Province LIP*) d’Emeishan. Le bloc de Chine du Sud est constitué des blocs Yangtze et Cathaysia, qui ont été soudés il y a peut-être un milliard d’années. Au Permien, il était entouré d’océans. Le bloc indochinois et le craton de Chine du Nord se sont arrimés à lui durant le Trias. D’après Gregory Shellnutt, 2014.

Les coulées de lave, fréquemment recouvertes par des sédiments plus récents, sont à peu près centrées sur la ville de Panzhihua, située dans le Sichuan à une vingtaine de kilomètres du Yunnan. Cette zone est dit « interne », parce que les coulées de lave y sont les plus abondantes. Elles peuvent atteindre 5 000 mètres d’épaisseur. À l’est, se trouve une zone intermédiaire puis une zone externe où les coulées n’ont plus que quelques centaines de mètres d’épaisseur. La superficie connue de ces laves est d’environ 500 000 kilomètres carrés. La province magmatique d’Emeishan est donc assez modeste, comparée aux trapps de Sibérie ou à la province magmatique centre Atlantique. Elles marquent respectivement le début et la fin du Trias, une période géologique allant de 252 à 201 Ma (millions d’années) qui a vu l’apparition des dinosaures. Elles ont toutes les deux provoqué une extinction de masse. Néanmoins, le volcanisme d’Emeishan semble être lui aussi associé à une crise biologique. Il est antérieur de 6 millions d’années au volcanisme de Sibérie : il s’est produit il y a environ 258 millions d’années, durant le Permien (de 299 à 252 Ma).

Affleurements de la province magmatique d’Emeishan. Le mont Emei se trouve au sud-ouest de Chengdu, dans la zone externe. Les affleurements vietnamiens ont été décalés de plusieurs centaines de kilomètres vers le sud-est à cause de la faille du fleuve Rouge (*Red River Fault*).

La datation de ces laves est difficile. Pour déterminer l’âge d’une roche magmatique, on utilise la radiochronologie. La méthode la plus fiable est de dater les cristaux de zircon qu’elle contient, mais ils apparaissent dans les roches assez riches en silice, ce qui n’est pas le cas des basaltes. Fort heureusement, des andésites, des trachy-andésites, des trachytes et des rhyolites ont également été émises. À cause de leur richesse en silice, ces laves sont visqueuses et les éruptions sont explosives. La présence d’ignimbrites montre qu’elles pouvaient même être cataclysmiques, avec des puissantes émissions de coulées pyroclastiques. L’une d’elles a été datée à 263 ± 4 Ma, grâce aux zircons. Du tuf rhyolitique, c’est-à-dire du magma rhyolitique fragmenté lors d’une éruption explosive, remonterait à 238 ± 3 Ma, donc au Trias. Certains de ces magmas n’ont pas atteint la surface. Ils ont cristallisé en profondeur et sont devenus des roches dites plutoniques : du granite ou de la syénite. Les mesures effectuées donnent des âges tournant autour de 258 Ma, qui peut être retenu malgré la dispersion des valeurs. Le volcanisme a dû être relativement bref (moins de 3 Ma), mais il est possible qu’un magmatisme plutonique se soit poursuivi durant 20 millions d’années.

Le pic Jinding culmine à 3077 mètres d’altitude dans le massif de l’Emeishan. Les basaltes noirs surmontent le calcaire blanc de Maokou.

Une caractéristique remarquable de cette province magmatique est que des laves dites ultramafiques ont été émises au début. Elles se trouvent donc à la base des coulées. Il s’agit de picrites, très pauvres en silice et très riches en magnésium et en fer, comme les roches du manteau terrestre, dont le principal minéral est l’olivine. Elles ressemblent aux komatiites, des laves émises durant l’Archéen, il y a plus de 2,5 milliards d’années, à très haute température. Il est possible que ces picrites aient eu une température initiale d’environ 1 500 °C. L’émission d’épaisses coulées de lave basaltiques, contenant un peu plus de silice et un peu moins de fer et de magnésium, témoigne également de cette chaleur. Habituellement les basaltes ont initialement dans les 1 200 °C. La présence de magma plus riche en silice s’explique par une cristallisation fractionnée : des cristaux sont apparus dans des poches souterraines de magma basaltique, modifiant sa composition chimique. Il est également possible que des roches de la croûte continentale, riche en silice, aient fondu par excès de chaleur. Du magma provenant de cette fusion a pu se mélanger avec du magma basaltique.

La province magmatique n’a pas qu’un intérêt historique : elle a aussi un intérêt économique. Dans les région de Panzhihua, de Baima et de Taihe, des minerais de fer, de titane et de vanadium sont exploités. Environ 35 % du titane produit dans le monde proviendrait de la Chine et particulièrement de cette province magmatique. Ce chiffre serait de 7 % pour le vanadium. Ces éléments sont présents dans des intrusions de gabbros, des roches formées par la cristallisation en profondeur de magma basaltique. Elles ont été soulevées lors de la surrection des montagnes de Chine du Sud puis mises à l’affleurement par leur érosion. Les gabbros comportent les minéraux habituels (olivine, clinopyroxène, feldspath plagioclase) ainsi que de la titanomagnétite, de l’apatite et des sulfures. Les magmas originels devaient être plus riches en titane que ceux des autres provinces magmatiques. L’action de fluides riches en dioxyde de carbone a dû permettre la minéralisation du fer et du vanadium.

(a) Avant les éruptions, la Chine du Sud est en grande partie immergée et recouverte par le calcaire de Maokou. La zone des futures éruptions est une plateforme carbonatée. (b) Épaisseur des coulées de lave. A l’est, elles ont été sous-marines. Les coulées de l’Emeishan ont au contraire été terrestres. La zone interne a été érodées. (c) Emplacement des sédiments détritiques de Xuanwei et Longtan. La formation de Xuanwei est terrestre, contrairement à ce qui est indiqué, et celle de Longtan est partiellement marine. (d) Après les éruptions, la mer revient et dépose les calcaires de Wujiaping et de Changxing. La situation illustrée est celle du Trias moyen. D’après Xu Yigang, 2007.

Ces provinces magmatiques sont désignées par le nom de trapp quand elles se trouvent sur des continents et de plateaux quand elles sont océaniques. Celle d’Emeishan est continentale mais les laves ont en partie coulé dans la mer. À cette époque, la Chine du Sud était un micro-continent à part, en grande partie immergé. Les montagnes qui la recouvrent actuellement n’existaient pas encore. Juste sous les laves, s’étend une couche de calcaire de 250 à 600 mètres d’épaisseur d’origine biologique, appelée la formation de Maokou, qui s’est déposée sous une faible profondeur d’eau de mer. Les basaltes d’Emeishan ont recouvert cette formation. Les couches de lave qui émergeaient ont été attaquées par l’érosion. Des sédiments détritiques, allant des sables aux argiles, se sont déposés dans la zone intermédiaire, sur les terres émergées (formation de Xuanwei) et dans la zone externe, en milieu transitionnel continental-marin (formation de Longtan). Les veines de charbon qu’elles comportent sont d’anciennes forêts donnant une idée de la végétation qui poussait sur les terres émergées de Chine du Sud, après les éruptions volcaniques, sous un climat tropical. La formation de Longtan comprend des strates de calcaire avec des fossiles marins. Elles témoignent d’avancées épisodiques de la mer dans cette région.

Les calcaires de Maokou ont une épaisseur moindre dans la zone interne qu’ailleurs. Les couches supérieures sont manquantes, comme si elles avaient été érodées avant les éruptions. Pour des géologues comme Xu Yigang, cela prouve qu’un panache est à l’origine de ce volcanisme : une ascension de roches anormalement chaudes venues des profondeurs du manteau. Bien avant le déclenchement des premières éruptions, ce panache aurait soulevé la croûte continentale en créant un dôme de quelques centaines de mètres de hauteur, voire jusqu’à 1 000 mètres de hauteur. Le calcaire mis à l’air libre aurait été attaqué par l’érosion. Ce soulèvement serait l’un des signes de la présence d’un panache, de même que l’émission initiale de laves extrêmement chaudes. La province magmatique d’Emeishan serait même le meilleur exemple au monde de dôme créé par un panache. Pourtant, cette explication de l’amincissement des calcaires de Maokou a été contestée par J. Gregory Shellnutt. Pour lui, une hauteur topographique existait pendant la sédimentation du calcaire, si bien qu’ils n’ont pas pu se déposer à cet endroit. Mais cela n’invalide pas l’hypothèse du panache.

Le panache mantellique (*mantle plume*) à l’origine de la province magmatique d’Emeishan d’après Gregory Shellnutt. La croûte *continentale* (*crust*) aurait eu un relief préexistant sur lequel le calcaire (*limestone*) de Maokou n’a pas pu se déposer. Le basalte riche en titane est en vert foncé. En certains endroits, la croûte continentale a fondu (*crustal melt*), donnant un magma riche en silice.

Le Permien moyen est une période allant de 272 à 260 Ma. Il est appelé le Guadalupien dans la charte stratigraphique internationale, d’après le nom des monts Guadapule au Texas. Il se termine par le Capitanien (de 265 à 260 Ma), nommé d’après Capitan Reef dans ces mêmes montagnes. Une extinction est située dans cet étage du Permien. Dans la liste des cinq extinctions de masse établie par D.M. Raup et J.J. Sepkoski en 1982, elle était confondue avec la crise de la fin du Permien, qui reste la plus grave crise biologique que la Terre ait connue depuis un demi-milliard d’années. En 1994, S.M. Stanley et X. Yang ont reconnu l’existence d’une extinction guadalupienne séparée. De 33 à 35 % des genres marins se sont éteints, chiffre comparable à ceux de la crise Crétacé-Paléogène il y a 66 millions d’années. Les brachiopodes et les coraux ont été particulièrement affectés. La réorganisation des récifs coralliens a été plus importante que celle de la fin de l’Ordovicien il y a 443 millions d’années. Il s’agit de la première des cinq extinctions de masse.

Sur les terres, la diversité des tétrapodes a été fortement diminuée. Les thérapsides dinocéphaliens ont complètement disparu, alors qu’ils avaient conquis toute la Pangée. Certains, comme Moschops, avaient atteint un taille imposante. Les thérapsides sont un groupe de tétrapodes au sein duquel les mammifères sont apparus. Cette crise peut surtout être observée en Afrique du sud, où la sédimentation s’est faite de manière continue, ainsi qu’en Russie. Il est toujours difficile de dire de quelle manière des éruptions volcaniques agissent sur la biosphère, mais les trapps d’Emeishan renforce la correspondance temporelle qui a été observée entre les crises biologiques et les grandes éruptions volcaniques.

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Xu Gangyi et al., Identification of mantle plumes in the Emeishan Large Igneous Province, Episodes, Journal of International Geosciences, March 1, 2007.

J. Gregory Shellnutt, The Emeishan large igneous province: A synthesis, Geoscience Frontiers 5, 2014.