Transition explosive-effusive des éruptions volcaniques : étude expérimentale du développement de la porosité connectée des magmas siliceux riches en cristaux sous une déformation cisaillante

Explosive-effusive transition from volcanic eruptions : an experimental study of the development of connected porosity in crystal-rich siliceous magmas under shear deformation

• Auteur / Autrice : Camille Daffos
• Direction : Caroline Martel, Laurent Arbaret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers
• Date : Soutenance le 07/01/2022
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Caroline Martel, Laurent Arbaret, Didier Laporte, Michael Heap, Marielle Collombet, Patrick Launeau, Bruno Scaillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Didier Laporte, Michael Heap

Mots clés

Mots clés contrôlés

Roches -- Déformation

Perméabilité

Roches volcaniques

Cisaillement (mécanique)

Cristaux plastiques

Éruptions explosives

Mots clés libres

Porosité connectée

Expérimentation

Presse Paterson

Connected porosity

Experimentation

Paterson press

Résumé

Les volcans de magmas riches en silice peuvent présenter deux types principaux de dynamisme éruptif : effusif (croissance de dôme de lave) ou explosif (éruptions vulcaniennes ou pliniennes). L’explosivité d’une éruption est principalement contrôlée par la capacité du magma à relâcher ou à conserver ses gaz, i.e. à développer une porosité plus ou moins connectée. Le seuil de percolation des gaz dans un magma est principalement contrôlé par des paramètres intrinsèques, tels que la fraction de bulles et de cristaux et la viscosité du magma, mais aussi par des paramètres extrinsèques tels que la vitesse d’ascension et de déformation du magma. L’objectif de ce travail de thèse est de mettre en évidence expérimentalement le rôle de la fraction cristalline et de la déformation sur le développement d’une porosité connectée dans un liquide riche en silice et contenant des bulles et des cristaux. Pour cela, les échantillons ont été déformé en torsion (ϒ˂2) en Presse Paterson à 50 MPa, 750/650°C et à une vitesse constante de 2 x 10⁻⁴s⁻1. Ces conditions expérimentales simulent l’initiation de la déformation dans un magma se mettant en place peu profondément, dans la partie supérieure d’un conduit volcanique ou dans un dôme de lave.Les résultats obtenus montrent que l’augmentation de la teneur en cristaux et de la déformation entraine une réorganisation des bulles créant des zones de localisation de la déformation et de coalescence intensive. Ainsi, des magmas riches en cristaux (30-50 vol%) et modérément vésiculés (20-30 vol%), peuvent développer un réseau de bulles connectée pour de très faibles taux de déformation (ϒ˂2). Ceci implique donc que les éruptions explosives à partir de dômes de lave fortement cristallisés doivent faire intervenir d’autres mécanismes de mise en pression des gaz dans le magma.

Volcanoes of silica-rich magmas may present two main types of eruptive dynamic: effusive (lava-dome growth) or explosive (Vulcanian and Plinian eruptions). The explosivity of an eruption is mainly controlled by the magma ability to release or retain gases, i.e. to develop a more or less connected porosity. Gas percolation threshold in magmas is primarily controlled by intrinsic parameters, such as bubble and crystal fraction and magma viscosity, and by external parameters, such as ascent and strain rates of the magma. The aim of this PhD waok is to highlight experimentaly the influence of crystal content and shear on the development of bubble connectivity in bubble- and crystal-bearing silicic melts. To this aim, the samples have been deformed in torsion (ϒ˂2) in a Paterson Press at 50 MPa, 750/650°C and constant shear rate of 2 x 10⁻⁴s⁻1. These experimental conditions simulate shear initiation during magma shallow emplacement at level of upper conduit or in lava domes.The results obtained show that the increase of the crystal fraction and shear leads to a bubble re-organization by creating zones of shear localization and intensive coalescence. Thus, moderately-vesiculated (20-30 vol%) crystal-rich (30-50 vol%) magmas can develop a network of connected bubbles under very low strain (ϒ˂2). This implies that additional mechanisms.