Ol Doinyo Lengaï (Tanzanie) : un volcan unique !

Sylvain CHERMETTE
80 Jours Voyages

[ Depuis l’éruption explosive de 2007, qui a pulvérisé le plancher du cratère actif de l’Ol Doinyo Lengaï et laissé place à un profond gouffre, l’activité était difficilement observable. Pourtant, depuis 2014 le cratère se rempli de nouveau régulièrement. Les années 2020-2021 ont laissé apparaître plusieurs hornitos imposants ainsi que des épanchements de lave importants dans le fond du cratère. L’activité est depuis de nouveau observable dans de bonnes conditions. ]

1.  Le Ol Doinyo Lengaï observé depuis la plaine du rift.
Image © Sylvain CHERMETTE

        Le voyage en juin 2022 accompagné par Sylvain Chermette avait pour vocation d’observer ces changements morphologiques et l’activité durant 3 jours et 3 nuits. Le spectacle a été au rendez-vous avec l’observation de plusieurs hornitos, dont un particulièrement actif, ainsi que la présence, plus atypique, de lacs de lave confinés par les hornitos effondrés de 2021.

Un volcan unique

        Situé en territoire Massaï à proximité du lac Natron en Tanzanie, l’Ol Doinyo Lengaï est un volcan unique, le seul volcan carbonatitique actif de nos jours.

        Ce volcan est un laboratoire naturel pour l’étude de ces magmas. Il permet de mieux comprendre les occurrences de carbonatites qui se sont mises en place dans le passé sur d’autres volcans et qui sont aujourd’hui exploitées pour leurs ressources minérales (niobium, phosphate, terres rares, titane).

        En effet, les gisements de terres rares (Rare Earth Element - REE) ont une importance économique croissante depuis la fin du XX^ème siècle. On note des concentrations élevées de ces REE dans les carbonatites exhumées, ce qui en font les principaux gisements (au Brésil, au Canada, au nord-ouest de la Russie et en Chine).

        Les carbonatites de l’Ol Doinyo Lengaï sont particulières et uniques. Elles sont très riches en sodium et potassium, ce sont plus précisément des natrocarbonatites, sous-famille de carbonatites. Dans un souci de simplicité et de compréhension, nous parlerons de carbonatites sans distinction.

Histoire géologique récente du volcan

        L’Ol Doinyo Lengaï se situe dans le rift Est africain qui traverse l’Afrique sur 5 000 km, de l’Afar jusqu’au nord du Mozambique. Ce rift se situe entre deux plaques continentales : la plaque nubienne à l’Ouest et la plaque somalienne à l’Est.

        Ce volcan est à 16 km au Sud du lac Natron. Il culmine à 2 952 m, environ 2 000 m au-dessus de la plaine du rift. Au sommet, on observe deux cratères au Nord et au Sud. Au cours des derniers siècles, les éruptions volcaniques ont principalement été observées dans le cratère Nord, alors que le cratère Sud était inactif.

Figure 1.  Carte de localisation du Ol Doinyo Lengaï, d’après Dawson et al.

Figure 2.  évolution du cratère de l’Ol Doinyo Lengaï entre 1960 et 1988. D’après Dawson et al. (1990).

        Au début du XIX^ème siècle, les carbonatites blanches et brillantes proches du sommet, ont donné l’impression aux commissaires Krapf et Erhardt, qui ont cartographié l’Afrique de l’Est, d’observer de la neige au sommet du volcan. La première apparition du volcan sur une carte est datée de 1856. Il porte à cette époque le nom de « Doinyo Engai montagne couverte de neige »

        En septembre 1904, F. Jaeger est le premier occidental à gravir le volcan et photographier le cratère. Ses photographies témoignent de l’état du cratère à cette époque. Il s’agissait d’une plateforme de carbonatite (magma non identifié à cette époque) avec plusieurs hornitos à l’origine de coulées de lave.

        La première description d’une éruption explosive de l’Ol Doinyo Lengaï a été faite par Hobley et Reck à la suite de l’éruption de 1917. Cette éruption subplinienne a radicalement changé la morphologie du sommet. Le plateau formé par les laves carbonatitiques a explosé pour laisser place à un cratère large et profond. Ces premières photos et cette éruption de 1917 font écho à ce que l’on a pu observer en 2007.

        En effet, la dynamique éruptive de l’Ol Doinyo Lengaï alterne entre deux modes éruptifs : explosifs (de type subplinienne) et effusifs. Cette alternance a des conséquences importantes sur la morphologie du cratère. Au cours des éruptions effusives, des laves carbonatitiques sont émises en coulées alors que les éruptions subplinienne sont composées d’un mélange de laves carbonatitiques et silicatées riches en alcalins (néphélinite ou phonolite).

        Au cours de l’histoire récente, quatre éruptions explosives majeures ont été observées (1917, 1940-1941, 1966-1967 et 2007-2008). Lors des éruptions effusives, le cratère se rempli alors que les éruptions explosives ont pour conséquence de détruire la plateforme carbonatée et créer un cratère d’environ 200 m de diamètre.

        L’éruption de 1917 a été l’une des éruptions les plus importantes du siècle. De janvier à juin 1917, une violente éruption (VEI 3) a lieu au cratère Nord de l’Ol Doinyo Lengaï. Les dépôts de cette éruption sont composés de carbonatites altérées et de tufs néphélinitiques et d’agglomérats.

        L’éruption de 1966-1967 commence le 9 août 1966 et se termine en juillet 1967. Les lapillis récoltés du début de l’éruption sont des agrégats d’ijolite, de minéraux de néphéline, magnétite et andradite riche en titane et de pyroxène corrodé. Les fragments sont cimentés par une matrice carbonatitique. La minéralogie de ces téphra est interprétée comme un mélange incomplet entre des ijolites et un liquide carbonaté. Cette hypothèse est privilégiée pour expliquer l’éruption observée en 2007. Après cette éruption, la morphologie du cratère Nord a changé.

        Si les photographies de 1980 montrent que l’éruption explosive a créé un cratère profond, celles prises entre 1984 et juin 2007, dévoilent que le cratère s’est rempli progressivement de carbonatites par coulées de lave successives jusqu’à un débordement du cratère.

2.  Explosion au sommet de l’Ol Doinyo Lengaï le 26 février 2008.
Image © Simone Chrétien

L’éruption de 2007-2008

        Avant le 12 juillet 2007, aucune activité sismique n’était détectée sur le Lengaï à l’exception des signaux en lien avec l’éruption effusive de juin 2007. Entre le 12 et le 17 juillet, un glissement le long d’une faille normale de direction Nord-Est/Sud-Ouest initie l’activité sismique sous le Gelai.

        Le 17 juillet 2007 l’un des séismes le plus important, d’une magnitude de 5.9 sur l’échelle de Richter, a été enregistré. Cet événement est lié à l’intrusion d’un dyke sous le volcan considéré comme éteint du Gelai (2 942 m). Grâce à des études InSAR (Interferometric Synthetic Aperture Radar) la dimension du dyke a été évaluée à 7 km de long. Il a été clairement identifié deux périodes pendant la crise sismique de 2007 : la première liée au glissement sur une faille normale de direction Nord-Est/Sud-Ouest (du 12 au 17 juillet) et la seconde due à la mise en place du dyke (du 17 juillet jusqu’à début septembre).

        L’éruption explosive de 2007-2008 a débuté le 4 septembre 2007 et s’est terminée en juin 2008. L’activité s’est intensifiée jusqu’en février 2008, date à laquelle un panache de 15 km de haut a été observé. Cette éruption a eu de grandes conséquences sur la morphologie du cratère Nord. La plateforme carbonatée formée lors de l’accumulation des coulées de lave de carbonatites a été détruite et remplacée par un cratère d’environ 300 m de diamètre. Le volume total des cendres émises pendant cette éruption subplinienne a été estimé au minimum de 17 à 25 millions de m³. Cette éruption subplinienne a été précédée par une augmentation de l’activité sismique dans la région nord-tanzanienne. Un mois avant l’activité volcanique de l’Ol Doinyo Lengaï, un dyke s’est mis en place sous le volcan Gelai, situé à seulement 10 km à l’Est.

        Les foyers sismiques sous les deux volcans (l’Ol Doinyo Lengaï et le Gelai) sont éloignés de 5 km de distance. Cependant, ces foyers semblent liés. En effet, les foyers les plus profonds sous l’Ol Doinyo Lengaï et le Gelai (à 13 km) semblerait indiquer une origine commune entre l’intrusion magmatique du dyke sous le Gelai et le magma injecté sous l’Ol Doinyo Lengaï.

        Par ailleurs, les minéraux typiques des carbonatites telles que la gregoryite (Na₂,K₂,Ca)CO₃ et nyerereite Na₂Ca(CO₃) sont présents uniquement au début de l’éruption et disparaissent à partir du 24 septembre. La proportion de néphéline augmente fortement au cours de l’éruption.

        Au cours du temps, les cendres évoluent vers une composition de plus en plus néphélinitique avec une augmentation de la teneur en silice et aluminium et une diminution de la concentration en alcalins. L’étude pétrographique démontre que cette évolution des magmas résulte d’un mélange entre un magma carbonatitique (en forte proportion au début de l’éruption) et un magma néphélinitique à combéite (magma silicaté). Les magmas proviennent ainsi de réservoirs magmatiques différents.

        Le changement de dynamisme éruptif s’explique par l’injection d’un magma phonolitique à ≈ 1 050 ˚C, riche en volatils, qui a probablement déséquilibré les magmas résiduels, plus évolués et carbonatitiques, présents dans la chambre. Ce magma s’est ensuite différencié et refroidi jusqu’à atteindre une composition néphélinitique et une température de 880 ˚C.

        L’étude des inclusions a permis de mettre en évidence l’immiscibilité entre des liquides carbonatitiques et silicatés au sein même des inclusions. En effet, les inclusions magmatiques piégées dans des néphélines de l’éruption de 2007-2008 contiennent aussi un liquide néphélinitique riche en fer et un liquide carbonatitique.

        L’éruption explosive a été provoquée lors du mélange entre des magmas résiduels carbonatitiques et un magma silicaté. Les deux magmas ne sont pas à l’équilibre et le magma hybride, résultant de leur mélange, engendre une exsolution du CO₂ principalement.

3.  Le Ol Doinyo Lengaï observé le 12 septembre 2009 par Advanced Land Image (ALI) du satellite Earth Observering-1.
Image © NASA.

Les carbonatites

        Les magmas carbonatitiques sont considérés comme rares à la surface de la Terre. On trouve cependant des occurrences sur tous les continents. Le volume total des magmas carbonatitiques émis est très faible en comparaison de celui des magmas silicatés. Ils se distinguent des magmas silicatés par leur teneur élevée en carbonate, plus de 50 %, et une concentration inférieure à 0,2 % de silice (tableau 1).

Tableau 1.  Composition de 3 échantillons de natrocarbonatites, prélevés en novembre 1988 (1 et 2) et octobre 1950 (3). Par Dawson et al. (1990).

        Ces laves se distinguent également par des concentrations en éléments traces très élevées (terres rares : REE; LILE -large ion lithophile elements - et en yttrium) ce qui leur confèrent un intérêt économique important. En effet, une bonne partie de ces éléments servent à la fabrication de Leds, de lasers et autres matériaux optiques ou luminescents. Certaines peuvent également être utilisées dans des catalyseurs.

        La plus ancienne carbonatite répertoriée se trouve au Groenland dans la région Tupertalik datée à trois milliards d’années. Quant à l’Ol Doinyo Lengaï, c’est l’édifice volcanique carbonatitique le plus récent.

        Ces laves atypiques sont presque exclusivement situées à proximité des cratons archéens ainsi que dans des contextes extensifs comme le long du rift Est africain ou sur l’édifice du Kaiserstuhl dans le fossé rhénan. Plus de la moitié des carbonatites sur Terre se situent en Afrique et sont associées au système extensif du rift Est africain. Dans cette zone, les carbonatites sont localisées en marge des anciens cratons.

        Même dans le cas des volcans « riches » en carbonatites, ces magmas atypiques ne représentent qu’une faible proportion en comparaison des laves silicatées qui leur sont associées. L’Ol Doinyo Lengaï ne fait pas exception. L’édifice s’est très largement construit avec des laves silicatées plutôt qu’avec des carbonatites largement minoritaires (≈ 5 % du volume de l’édifice).

4.  Le cône du Ol Doinyo Lengaï en juin 2022.
Image © Sylvain Chermette.

        La mise en place de ces magmas exceptionnels sur l’Ol Doinyo Lengaï est complexe. Les signatures des isotopes du carbone et de l’oxygène des carbonatites, les enclaves mantelliques les plus abondantes qui sont des xénolites de lherzolites à spinelle ainsi que des xénocristaux de phlogopite et d’amphibole confirment que les carbonatites ou leurs magmas parents proviennent d’une source mantellique.

        Les chambres magmatiques sont le siège de processus importants tels que la cristallisation, l’assimilation crustale, l’altération hydrothermale, les mélanges magmatiques, etc. Ceux-ci peuvent avoir un rôle stratégique dans l’enrichissement en éléments traces et la genèse des carbonatites.

        On distingue principalement deux types de carbonatites : le premier groupe sont des carbonatites magmatiques souvent associées à d’autres roches magmatiques (telles que des phonolites, néphélinites, mélilitites, etc.), alors que le second groupe sont des carbonatites hydrothermales formées à basse température par circulation de fluides riches en CO₂, H₂O et F, provenant du dégazage de corps magmatiques.

        La haute concentration en terres rares des carbonatites serait liée à ce processus hydrothermal du second groupe et non pas à sa source magmatique.

        Les laves de l’Ol Doinyo Lengaï sont des carbonatites magmatiques. Les néphélinites et les carbonatites sont cogénétiques et peuvent se former par différenciation à partir d’un même liquide parent.

        Dans le cas de l’Ol Doinyo Lengaï, deux chambres magmatiques ont été identifiées. Une première chambre profonde composée principalement de liquide néphélinitique. De cette chambre, un liquide carbonatitique est extrait par différence de densité et migre vers une seconde chambre, à très faible profondeur, où ces laves carbonatitiques continuent de se différencier.

        Le liquide carbonatitique est issu d’un processus d’immiscibilité d’un magma silicaté parent. Ce liquide va pouvoir facilement migrer en direction de la surface, du fait de la faible viscosité des magmas carbonatitiques.

5.  Au crépuscule, les carbonatites incandescentes révèlent leur teinte cerise.
Image © Sylvain Chermette

6.  Bouillonnement de carbonatite.
Image © Sylvain Chermette

Observations

        L’une des plus étonnantes et fascinantes caractéristiques des laves carbonatitiques est leur faible viscosité. Cette spécificité permet d’observer des coulées de lave d’une fluidité exceptionnelle où la roche en fusion s’écoule comme du pétrole ou de la boue.

        La température de cristallisation des carbonatites à l’Ol Doinyo Lengaï est estimée entre 300 et 630 ˚C. Certains auteurs parlent de « laves froides ». Bien qu’il s’agisse de roche en fusion, les coulées apparaissent donc gris-foncées ou noires à la lumière du jour. C’est seulement à la nuit tombée que l’on peut distinguer une incandescence, phénomène le plus associé à la roche en fusion.

        L’altération des carbonatites au contact de l’air peut-être extrêmement rapide. Cette altération fait virer au blanc la lave refroidie. On peut commencer à l’observer après quelques heures ou quelques jours en fonction de l’épaisseur des projections ou des coulées de lave.

        Cette altération extrêmement rapide des carbonatites au contact de l’air ou des fluides rend difficile l’étude du magma primaire à l’origine des carbonatites. Il est difficile de collecter des échantillons naturels contenant du verre carbonatitique. En effet, ces magmas ne se trempent pas et sont composés d’assemblages minéralogiques rendant difficile l’approximation de la composition du magma primaire.

        Il est donc ardu d’étudier des magmas carbonatitiques frais ou peu altérés, d’autant que la conservation des échantillons est complexe.

7.  À la verticale du cratère du Lengaï. Observation par un drone d’exploration.
Image © Sylvain Chermette.

Observations du 24 au 26 juin 2022

        Au cours des 3 jours et 3 nuits d’observation (du 24 au 26 juin 2022), les coulées, confinées par les remparts issus de l’effondrement des hornitos de 2020-2021, ont créé un lac de lave bouillonnant violemment. L’alimentation en lave fraiche, le ressac sur les parois et les remous, nous ont offert un spectacle d’une activité importante.

        Les projections construisaient sans cesse de nouvelles digues qui s’effondraient régulièrement sous leur poids laissant place à des lacs de lave de formes différentes en fonction des jours.

        Du côté Ouest du cratère, plusieurs hornitos étaient actifs. Nous avons pu observer l’édification de certains d’entre eux par accumulation d’importantes projections (certaines gerbes montant à plusieurs mètres de hauteur). Ces hornitos donnaient aussi naissance à quelques épanchements de lave à l’origine de coulées s’écoulant sur le plancher du cratère.

        Dès la nuit tombée, le spectacle prenait une autre dimension. Les lacs de lave présentaient leur teinte rouge, nous permettant d’observer les bulles éclater à la surface. Les projections des hornitos étaient dignes d’un feu d’artifice. Par ailleurs, les modifications de l’activité, les effondrements, les phases d’activités plus ou moins intenses ont rendu ce spectacle différent chaque jour. Comme souvent sur les volcans actifs, nous avons privilégié l’aurore et le crépuscule pour l’observation et chaque jour a pu nous offrir une vision très différente du volcan, nous faisant regretter de quitter le cratère le quatrième jour pour rejoindre les bords du lac Natron.

        Remerciements : avec l’aimable autorisation de la volcanologue gaëlle mollex pour l’utilisation des travaux de sa thèse dans la rédaction de cet article.

        merci à Ludovic Leduc, Alex molle et Dominique Decobecq pour leur relecture attentive et leurs corrections.

8.  Le cratère du Ol Doinyo Lengaï et ses hornitos.
Image © Sylvain Chermette.

9.  Image thermique du cratère du Old Doinyo Lengaï.
Image © Paul Reichert

10.  Le camp de base sur le Ol Doinyo Lengaï.
Image © Sylvain Chermette

11.  L’alignement des hornitos du Ol Doinyo Lengaï.
Image © Sylvain Chermette.