Modélisation du lien entre éruptions et glissements de flancs au Piton de la Fournaise

Modelling the link between eruption and flank slip at Piton de la Fournaise

• Auteur / Autrice : Quentin Dumont
• Direction : Valérie Cayol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'univers
• Date : Soutenance le 21/01/2022
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Magmas et Volcans
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Froger, François Beauducel, Aline Peltier, Raphaël Paris, Luc Scholtès
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eleonora Rivalta, Raphaël Grandin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fournaise, Piton de la (Réunion ; volcan)

Intrusions (géologie)

Mots clés libres

Piton de la Fournaise

Intrusion Magmatique

InSAR

Déformation du Sol

Modélisation Inverse

Déstabilisation de Flanc

Piton de la Fournaise

Magmatic Intrusion

InSAR

Ground Deformation

Inverse Modelling

Flank Collapse

Résumé

Le Piton de la Fournaise est l'un des volcans les plus actifs au monde avec en moyenne 2.3 éruptions/an depuis 1998. L'activité typique est caractérisée par l'ouverture de fissures éruptives le long d'une rift zone principale arquée vers le NE et le SE du cratère sommital. En mars-avril 2007, la plus grande éruption des cent dernières années a eu lieu. Elle s'est caractérisée par l'émission de 220x106 m3 de lave et par un effondrement du cratère sommital de 300 m. Pendant l'éruption, un glissement asismique du Flanc Est de 1.4 m vers la mer a été mesuré par interférométrie RADAR (InSAR). Depuis lors, les données InSAR et GNSS montrent que le glissement se poursuit à un taux de 1.4 cm/an. Le glissement a été relié à une faille ou à une intrusion cisaillée suivant les auteurs. Afin d'estimer l'impact de l'activité intrusive sur les mouvements du flanc Est et les mécanismes liés aux instabilités, une analyse des champs de déplacements et des modélisations inverses ont été réalisées pour 60 événements intrusifs survenus entre 1998 et 2021. Les intrusions modélisées révèlent une zone intrusive majeure orientée NE-SE, une zone de sills et quatre zones d'intrusions secondaires rayonnant à partir du cône sommital. La zone intrusive majeure NE-SE est connectée en profondeur à la zone de sills se localisant sous le flanc est. Ensemble, elles forment une zone intrusive continue caractérisée par une forme de cuillère convexe, orientée vers la mer. Elle présente des parois sub-verticales à sa tête, accommodant l'ouverture des dykes. Vers l'est, la structure intrusive s'horizontalise et accommode des intrusions associées à du cisaillement indiquant une discontinuité préexistante guidant leur mise en place. A l'extrémité est de la structure, deux régimes de glissement séparés par un axe N60° sont identifiés: des sills cisaillés (cisaillement synchrone de l'ouverture) au nord de l'axe; et un comportement de failles (≈purement en cisaillement) au sud. De plus, la modélisation des contraintes associées aux intrusions montre que la mise en place des intrusions dans les zones d'intrusions préférentielles est contrôlée par l'historique des contraintes héritées des intrusions précédentes et qu'il existe une rétroaction positive entre l'ouverture des dykes dans les rift zones et le glissement le long des sills et de la faille. Ainsi, la structure majeure en forme de cuillère agit probablement comme une surface de déstabilisation. A l'échelle des temps géologiques, les intrusions répétées dans la structure peuvent conduire à un effondrement catastrophique des flancs générant des séismes et des tsunamis. Ce modèle d'évolution long terme de l'édifice est en accord avec la présence de dépôts d'avalanche de débris dans la bathymétrie et permet d'expliquer la formation de l'Enclos Fouqué.

Piton de la Fournaise is one of the most active volcanoes in the world with a mean of 2.3 eruptions/yr since 1998. Typical activity is characterized by the opening of eruptive fissures along a main arcuate preferential intrusion zones NE and SE of the summit crater. In March-April 2007 the largest eruption of the last hundred years took place, characterized by the output of 220x106 m3 of lava, and a collapse of the summit crater by 300 m. During the eruption, an aseismic slip of the Eastern Flank up to 1.4 m toward the sea was measured by satellite RADAR interferometry (InSAR). Since then, InSAR and GNSS data show that slip is still going at a rate of 1.4 cm/yr. The slip was related to a fault or to sheared intrusion depending on authors. In order to estimate the impact of intrusive activity on the Eastern Flank movement and the mechanisms related to instabilities, displacement field analysis and inverse modeling were performed for 60 intrusive events that occurred between 1998 and 2021. The modelled intrusions reveal a major NE-SE intrusive zone, a sill zone, and four secondary intrusion zones radiating from the summit cone. The NE-SE major intrusive zone is connected at depth to the sill zone located below the eastern flank. Together they form a continuous intrusive zone characterized by a convex, seaward spoon shape. It has sub-vertical walls at its head, accommodating the opening of the dykes. Towards the east, the intrusive structure becomes horizontal and accommodates shear-associated intrusions indicating a pre-existing discontinuity guiding their emplacement. At the eastern end of the structure, two slip regimes separated by a N60° axis are identified: sheared sills (coeval opening and slip) to the north of the axis; and faulting behavior (≈pure shear) to the south. In addition, stress modeling associated with the intrusions shows that the emplacement of intrusions in the preferential intrusion zones is controlled by the inherited stress history of previous intrusions and that there is a positive feedback between dyke opening in the rift zones and slip along the sills and the fault. Thus, the major spoon-shaped structure probably acts as a destabilization surface. On the geologic time scale, repeated intrusions into the structure can lead to catastrophic flank collapse generating earthquakes and tsunamis. This model of long-term evolution of the edifice is consistent with the presence of debris avalanche deposits in the bathymetry and allows to explain the formation of the Enclos Fouqué.