Injections magamatiques et destabilisation des volcans basaltiques : étude numérique : Applications à la Réunion (Océan Indien, France) et Stroboli (mer Tyrrhénienne, Italie)

Magma injections and destabilization of basaltic volcanoes : A numerical study : Application to La Reunion (Indian ocean, France) and Stromboli (Tyrrhenian sea, Italy)

• Auteur / Autrice : Thibault Catry
• Direction : Laurent Michon, Claudia Romagnoli
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Volcanologie
• Date : Soutenance le 23/05/2011
• Etablissement(s) : La Réunion en cotutelle avec Università degli studi (Bologne, Italie). Dipartimento di scienze della terra e geologico-ambientali
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences, Technologies et Santé (Saint-Denis, La Réunion)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire GéoSciences Réunion
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Got
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Laurent Michon, Claudia Romagnoli, Jean-Luc Got, Valerio Acocella

Mots clés

Mots clés contrôlés

Stromboli (Italie)

Glissements de roches

Intrusions (géologie)

Magmatisme

Volcanisme

Mots clés libres

Volcan basaltique

Intrusions magmatiques

Rift-zones

Déstabilisations de flancs

La Reunion

Stromboli

Modèles numériques

Basaltic volcanoes

Magmatic intrusions

Rift-zones

Flank destabilizations

La Reunion

Stromboli

Numerical modelling

Résumé

L'évolution de la majorité des volcans basaltiques est marquée par des phénomènes récurrents d'instabilité latérale. De nombreux facteurs d'instabilité, impliqués dans des déstabilisations à long terme ou des effondrements de flancs instantanés, ont été recensés depuis l'événement majeur qui a frappé le Mont Saint-Helens en 1980. Cependant, le rôle de ces facteurs sur la stabilité mécanique des édifices est mal contraint dans la mesure où les glissements de flancs résultent en général de plusieurs causes simultanées. Notre étude se concentre sur une comparaison des caractéristiques morphologiques et structurales de deux systèmes basaltiques, La Réunion (Océan Indien, France) et Stromboli (Mer Tyrrhénienne, Italie). Nous avons montré que, bien qu'ayant des volumes et des contextes géodynamiques très différents, les systèmes sont tous deux caractérisés par une activité intrusive intense le long de rift zones et ont subi des déstabilisations latérales récurrentes durant leur évolution. Parmi les facteurs d'instabilité, les exemples de La Réunion et de Stromboli soulignent l'influence majeure des complexes intrusifs dans la croissance et le démantèlement des volcans, comme le prouvent les études de terrain et la surveillance des ces volcans actifs. Les modèles classiques considèrent que le processus d'instabilité latérale en domaine volcanique résulte de la mise en place d'une ou plusieurs intrusions verticales, entrainant des mouvements de flancs le long d'une surface de glissement pré-existante. De nouvelles données de terrain obtenues au Piton des Neiges (La Réunion), ainsi que des données de littérature sur d'autres édifices, ont permis de mettre en évidence le rôle des intrusions sub-horizontales dans les déstabilisations de flancs et de caractériser la géométrie des intrusions sub-verticales et sub-horizontales au sein des volcans basaltiques. Cette étude compare les résultats de la modélisation numérique des champs de déplacements de surface crées par la mise en place d'intrusions magmatiques à faible / fort pendage dans les édifices basaltiques, grâce à une méthode d'éléments frontières mixte (Mixed Boundary Element Method), dans le but de déterminer le comportement mécanique d'un édifice soumis à des injections magmatiques sous différents champs de contraintes. Les résultats de cette étude montrent qu'un champ de contraintes anisotrope favorise le glissement le long des intrusions, généré par la contrainte cisaillante co-intrusive, à l'origine de déplacements à l'échelle du flanc de l'édifice. Ces déplacements de grande ampleur, préférentiellement liés à des intrusions subhorizontales, peuvent probablement déclencher des grands glissements latéraux si leur amplitude dépasse le seuil de stabilité de l'édifice. L'application des résultats théoriques à des exemples réels de déformations enregistrées sur des volcans basaltiques (dont La Réunion et Stromboli, au cours de leurs crises éruptives de 2007) révèle que le modèle de déstabilisation associée à des intrusions sub-verticales est un mécanisme pouvant générer des effondrements de flancs sur des petits édifices à fortes pentes comme Stromboli. De plus, nos données de terrain et les résultats de modélisation confirment l'importance des intrusions sub-horizontales dans l'évolution morpho-structurale des grands édifices basaltiques à faibles pentes comme le Piton de la Fournaise (La Réunion), l'Etna ou le Kilauea, et plus particulièrement dans les instabilités de flancs pouvant causer des tsunamis dévastateurs.

Most basaltic volcanoes are affected by recurrent lateral instabilities during their evolution. Numerous factors have been shown to be involved in the process of flank destabilization occurring over long periods of time or by instantaneous failures. However, the role of these factors on the mechanical behaviour and stability of volcanic edifices is poorly-constrained as lateral failure usually results from the combined effects of several parameters. Our study focuses on the morphological and structural comparison of two end-member basaltic systems, La Reunion (Indian ocean, France) and Stromboli (southern Tyrrhenian sea, Italy). We showed that despite major differences on their volumes and geodynamic settings, both systems present some similarities as they are characterized by an intense intrusive activity along well-developed rift zones and recurrent phenomena of flank collapse during their evolution. Among the factors of instability, the examples of la Reunion and Stromboli evidence the major contribution of intrusive complexes to volcano growth and destruction as attested by field observations and the monitoring of these active volcanoes. Classical models consider the relationship between vertical intrusions of magma and flank movements along a preexisting sliding surface. A set of published and new field data from Piton des Neiges volcano (La Reunion) allowed us to recognize the role of subhorizontal intrusions in the process of flank instability and to characterize the geometry of both subvertical and subhorizontal intrusions within basaltic edifices. This study compares the results of numerical modelling of the displacements associated with high-angle and low-angle intrusions within basaltic volcanoes. We use a Mixed Boundary Element Method to investigate the mechanical response of an edifice to the injection of magmatic intrusions in different stress fields. Our results indicate that the anisotropy of the stress field favours the slip along the intrusions due to cointrusive shear stress, generating flank-scale displacements of the edifice, especially in the case of subhorizontal intrusions, capable of triggering large-scale flank collapses on basaltic volcanoes. Applications of our theoretical results to real cases of flank displacements on basaltic volcanoes (such as the 2007 eruptive crisis at La Reunion and Stromboli) revealed that the previous model of subvertical intrusions-related collapse is a likely mechanism affecting small-scale steeply-sloping basaltic volcanoes like Stromboli. Furthermore, our field study combined to modelling results confirms the importance of shallow-dipping intrusions in the morpho-structural evolution of large gently-sloping basaltic volcanoes like Piton de la Fournaise, Etna and Kilauea, with particular regards to flank instability, which can cause catastrophic tsunamis.