Relations entre vitesse d'ascension des magmas et explosivité

Relations between magma ascent rate and explosivity

• Auteur / Autrice : Guillaume Georgeais
• Direction : Estelle F. Rose-Koga, Yves Moussallam
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et évolution de la terre et des autres planètes
• Date : Soutenance le 24/03/2023
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences Fondamentales
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Magmas et Volcans
• Jury : Président / Présidente : Tim H. Druitt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kenneth T. Koga, Caroline Martel, Andrew Harris
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fidel Costa, Margaret Hartley

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éruptions explosives

Magmas

Mots clés libres

Dynamique magmatique

Modélisation

Éléments volatils

Diffusion

Géochronomètres

Texture

Surveillance volcanique

Magma dynamics, modelling

Volatiles

Diffusion

Geochronometers

Texture

Volcano monitoring

Résumé

A ce jour, alors que l'occurrence d'une éruption majeure n'est pas clairement déterminée, une seconde question se pose concernant la puissance de celle-ci. La gestion de l'évacuation des populations ou encore l'établissement de cartes de risques volcaniques dépendent directement de ce paramètre. Certaines études portées sur les problèmes de dynamique magmatique indiquent un début de lien entre la vitesse d'ascension des magmas et certains paramètres tels que l'intensité de l'éruption (Fergusson et al , 2016). Au cours de cette thèse je vais m'intéresser au lien qui peut exister en vitesse d'ascension des magmas et le VEI (Index d'Explosivité Volcanique).Pour estimer les vitesses d'ascension et de décompression des magmas, je m'interesse aux profils de diffusion des éléments volatils le long de golfes ouverts vitreux contenus dans les cristaux, appelés « embayments ». Au cours d'une éruption, les conditions de solubilité des éléments volatiles change. Cela entraine l'exsolution des éléments volatils concernés et une variation de leur concentration dans le liquide. Il existe alors un déséquilibre de concentration entre le fond des embayments (non affectés par les phénomènes d'exsolution) et leur embouchure appauvrie en éléments volatils. Ce déséquilibre est corrigé via diffusion du fond vers l'embouchure des embayments, formant progressivement un profil de diffusion alors dépendant de la durée de déséquilibre. Ces phénomènes de diffusion s'arrêtent brusquement lors de la fragmentation et du refroidissement jusqu'à la trempe du verre, conservant le profil de diffusion le long de l'embayment. Il est alors possible de déterminer une vitesse de décompression à partir d'un modèle numérique.-Dans un premier temps, j'ai cherché à établir une base solide pour développer les futures études sur les embayments. La méthode est assez récente et s'est développée au cours des études, sur une gamme plus étendue de volcans et d'échantillons. La portée et le but de chaque étude est différent à chaque fois et le modèle numérique employé varie spécifiquement avec chaque étude, rendant les résultats incomparables.Afin de démocratiser l'utilisation de cette méthode et de former cette base de données, j'ai développé et partagé un programme simple d'utilisation et adapté à une large gamme compositions de magmas, destiné à estimer les vitesses de décompression à partir de profils de diffusion de H2O, CO2 et S. Ce programme fait l'objet de mon premier article, accepté au journal Geochemistry, Geophysics, Geosystems. Au cours de cette étude, je teste mon modèle en répliquant les calculs des études précédentes et en comparant les résultats obtenus avec ceux déjà parus. Ensuite, je recalcule toutes les vitesses de décompression en suivant un protocole de calcul unique afin d'obtenir des résultats comparables. Si on ne considère que les vitesses les plus élevées de chaque éruption étudiée, on observe une tendance positive avec la magnitude et la hauteur du panache pour les magmas basaltiques. Ces deux tendances semblent donc indiquer un lien entre vitesse de décompression et VEI pour les magmas basaltiques au niveau global. Dans une optique de suivi du risque éruptif pour un unique volcan, il me semble essentiel d'étudier s'il existe une telle relation pour un même édifice.- Deuxièmement, j'ai cherché à étudier ce lien sur des éruptions d'explosivité variés d'un unique édifice volcanique : le Stromboli. C'est un volcan mafique donc potentiellement concerné par les relations susmentionnées. C'est aussi un volcan très étudié qui profite d'un suivi complet et régulier. Les objectifs de cette étude sont multiples : (1) confirmer la présence d'un lien entre vitesse de décompression maximale et VEI, (2) comparer les vitesses estimées par la méthode des embayments avec celles des autres méthodes et (3) mettre en relation les informations apportées par les méthodes de calcul de vitesse de décompression et le suivi géophysique du volcan.

To date, while the occurrence of a major eruption is not clearly determined, a second question arises concerning its explosivity. The management of the evacuation of populations or the establishment of maps of volcanic risks depend directly on this parameter. Some studies on magma dynamics problems indicate the beginning of a link between magma ascent rate and some parameters such as the intensity of the eruption (Fergusson et al , 2016). During this thesis I will focus on the link that may exist in magma ascent velocity and VEI (Volcanic Explosivity Index).To estimate the ascent and decompression rates of magmas, I am interested in the diffusion profiles of volatile elements along glassy open gulfs contained in the crystals, called "embayments". During an eruption, the solubility conditions of volatile elements change. This leads to the exsolution of the volatile elements concerned and a variation of their concentration in the liquid. There is then an imbalance of concentration between the bottom of the embayments (not affected by the exsolution phenomena) and their mouth depleted in volatile elements. This imbalance is corrected via diffusion from the bottom to the mouth of the embayments, gradually forming a diffusion profile that depends on the duration of the imbalance. These diffusion phenomena stop abruptly during fragmentation and cooling until the glass is tempered, maintaining the diffusion profile along the embayment. It is then possible to determine a decompression rate from a numerical model.-As a first step, I sought to establish a solid foundation for developing future embayment studies. The method is fairly new and has developed over the course of the studies, on a wider range of volcanoes and samples. The scope and purpose of each study is different each time and the numerical model employed varies specifically with each study, making the results incomparable.In order to democratize the use of this method and to train this database, I have developed and shared a simple to use program adapted to a wide range of magma compositions, designed to estimate decompression rates from H2O, CO2 and S diffusion profiles. This program is the subject of my first paper, accepted in the journal Geochemistry, Geophysics, Geosystems. During this study, I test my model by replicating the calculations of previous studies and by comparing the results obtained with those already published. Then, I recalculate all decompression velocities following a unique calculation protocol in order to obtain comparable results. If we consider only the highest velocities of each eruption studied, we observe a positive trend with magnitude and plume height for basaltic magmas. These two trends thus suggest a link between decompression velocity and VEI for basaltic magmas at the global level. From a single volcano eruption risk monitoring perspective, I believe it is essential to investigate whether such a relationship exists for a single edifice.- Secondly, I tried to study this relationship on eruptions of various explosivity of a single volcanic edifice: Stromboli. It is a mafic volcano and therefore potentially concerned by the above relationships. It is also a very studied volcano which benefits from a complete and regular follow-up. The objectives of this study are multiple: (1) to confirm the presence of a relationship between maximum decompression velocity and EIV, (2) to compare the velocities estimated by the embayment method with those of other methods and (3) to relate the information provided by the decompression rate calculation methods and the geophysical monitoring of the volcano.