Structural geology of shield volcano (Le Piton des Neiges, La Réunion island) to assess its geothermal potential

Le volcan Piton des Neiges (La Réunion) concentre de nombreux indices d’hydrothermalisme en surface, suggérant l’existence d’un potentiel géothermique exploitable. Les précédentes campagnes d’exploration, débutées dans les années 70, ont mis en évidence des gradients géothermiques prometteurs dans les forages d’exploration géothermiques du cirque de Salazie. Cependant, elles révèlent aussi la difficulté d’identifier les zones perméables au sein de ce volcan. Les failles de caldera pourraient présenter cette perméabilité nécessaire, or aucun consensus n’existe quant à l’existence, le nombre et l’extension des calderas du Piton des Neiges. La carte géologique actuelle ne suffit pas car elle est très peu contrainte dans la zone interne du volcan du fait de la difficulté d’accès et de ses reliefs escarpés. Ainsi, certains aspects clefs de son histoire géologique restent méconnus. Pour améliorer la compréhension de l’histoire du Piton des Neiges en vue d’une exploration géothermique, nous avons tout d’abord pallié au manque de données géochronologiques sur les formations plutoniques et explosives du volcan afin d’apporter des contraintes temporelles sur les sources de chaleur. Grâce à une étude de thermochronologie multitechnique (U-Pb sur zircon et (U-Th)/He sur apatite), nous mettons en évidence (1) un plutonisme polyphasé correspondant aux stades de reprise d’activité du volcanisme (~2 Ma, ~1,4 Ma, ~0,7 Ma et ~0,15 Ma) suivi de refroidissements rapides successifs ; (2) un épisode explosif majeur précisant l’âge de la principale caldera du volcan à 188 ± 5 Ka ; (3) une cessation de l’activité volcanique à ~27 Ka (et non 12, 22 ou 29 Ka comme proposé précédemment), ce qui précise l’âge de la dernière source de chaleur probable. Pour établir un modèle architectural du massif volcanique permettant de localiser les zones favorables à la géothermie, nous avons réalisé une nouvelle carte géologique des cirques à l’échelle 1/25000e dont la subdivision des unités s’appuie sur l’ensemble des connaissances géologiques existantes. Cette nouvelle carte est dressée à partir d’une reconnaissance exhaustive de terrain, y compris dans les zones les plus inaccessibles du massif, complétée par de la photogrammétrie aérienne. Nous identifions tout d’abord une caldera d’emprise plus restreinte que dans les propositions précédentes, de forme elliptique, mise en place à la fin du stade PN3, et ne correspondant pas aux bordures des cirques actuels. Nous mettons par ailleurs en évidence un contrôle majeur du démantèlement par les déstabilisations de flancs qui créent des discontinuités structurales et lithologiques dans le bâti de l’édifice, et ce dès les premiers stades de construction du Piton des Neiges. La présence de brèches dans la partie interne du volcan, issue de l’imbrication de plusieurs déstabilisations et de l’effondrement de la caldera, a en effet guidé l’érosion et conduit à la forme actuelle des cirques. Notre modèle architectural du Piton des Neiges apporte des contraintes nouvelles sur la caractérisation du système hydrothermal, expliquant la répartition des indices d’hydrothermalisme en surface. C’est notamment dans les formations bréchiques anciennes et à l’intersection des failles de caldera et de la rift zone et des sill-zones différenciées que se situent la majorité des sources thermales. Le système intrusif joue également un rôle de barrière hydraulique, qui entraîne une compartimentation du système hydrothermal. Les niveaux de brèches semblent, eux, constituer des réservoirs superficiels dans le système hydrothermal fonctionnant comme un réservoir fracturé.The Piton des Neiges volcano (La Réunion island) is hosting many indicators of a promising geothermal resource with multiple thermal springs and elevated temperature gradients in exploration geothermal boreholes in Salazie. However, despite decades of propection campaigns no permeable zones have been identified. Caldera faults could have this permeability, but there is no consensus on the existence, number and extension in the Piton des Neiges volcano. The current geological map is poorly constrained in the innermost part of this volcano due to its steep terrain and the difficulty of their access. Thus, some keys features of the architecture and geological history of Piton des Neiges remain unknown. In order to improve the understanding of the history of the Piton des Neiges for geothermal exploration, we firstly performed a multi-technique thermochronology study (U-Pb on zircon and (U-Th)/He) on apatite) to provide temporal constraints on the heat source. We highlight (1) a polyphase plutonism that coincides with the resumption of volcanic activity (~2 Ma, 1,4 Ma, ~0,7 Ma and ~0,15 Ma), followed by successive rapid cooling ; (2) a major explosive episode specifying the age of the main caldera of the volcano at 188 ± 5 Ka ; (3) an age of ~27 Ka for the latest volcanic activity (not 12, 22 or 29 Ka as previously proposed), wich clarifies the age of the last likely heat source. In addition, we have also produced a new 1/25000e geological map of Piton des Neiges to provide features of the architecture of the Piton des Neiges volcano and locate areas of interest for geothermal energy. The geological map is based on all existing geological knowledge and a extensive field survey, including the most unreachable areas, helped by aerial photogrammetry. We identify an elliptical caldera whose extent is more limited than in previous studies. This caldera collapsed at the end of the PN3 stage, and does not fit with the borders of the cirques. We also show that the dismantling processes with flank collapse, create structural and lithological discontinuities in the volcano from the earliest stages of the volcano. The occurrence of breccias in the inner part of the Piton des Neiges is the result of the overlapping of several episodes of flank destabilization and the collapse of the caldera. Breccias and discontinuities guided erosion and led to the current shape of the cirques. All theses results bring forward major constraints on the understanding and assessing hydrothermal system of Piton des Neiges. We provide a new model enhanced with geological architecture explaining the spatial distribution of thermal springs at the surface. The most permeable zones are the interplay of the caldera faults and the fracture network of rift-zone N030 and sill-zones in breccia levels (old basic breccia levels and hydrothermal breccia). The differenciated intrusions also act as a hydraulic barriers leading to a partitioned hydrothermal system with multiple fluid pathways. The breccia units seems to be subsurface reservoirs within the hydrothermal system acting as a fractured reservoir