Formation et instabilité de réservoirs de magma silicique dans la croûte continentale

Formation and instability of silicic-magma reservoirs in continental crust

• Auteur / Autrice : Alexandra Morand
• Direction : Steve Tait, Geneviève Brandeis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l'environnement
• Date : Soutenance le 02/12/2019
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Tim H. Druitt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Steve Tait, Geneviève Brandeis, Tim H. Druitt, Joan Martí, Virginie Pinel, Aline Peltier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Joan Martí, Virginie Pinel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tectonique des plaques

Caldeiras

Silicates

Magmatisme

Mots clés libres

Magma silicique

Stockage magmatique

Modèle de plaque

Expériences de laboratoire

Contraintes

Déformations

Formation de caldeiras

Silicic magma

Magma storage

Plate model

Laboratory experiments

Stresses

Deformations

Caldeira formation

Résumé

Les grands systèmes magmatiques siliciques peuvent produire des éruptions dévastatrices avec des volumes émis supérieurs à 100 km3. La forme et l'organisation des zones de stockage du magma sont toujours source de débats. Or, la forme utilisée modifie les résultats des modélisations faites. Nous avons choisi de prendre le problème sous un angle nouveau, en réfléchissant aux raisons physiques qui expliquent la formation d'une zone de stockage pré-éruptive, ceci afin d'avoir une meilleure compréhension des contraintes exercées par la chambre magmatique sur son environnement. Notre hypothèse est que le magma silicique, sous l'effet de sa flottabilité positive, remonte dans la partie ductile de la croûte continentale sous forme de diapir. Il est ensuite stoppé par la transition fragile-ductile de la croûte continentale, provoquant la formation d'une zone de stockage. Ce travail de thèse suit trois axes. Dans le premier nous adaptons un modèle de déformation de plaque issu de la littérature, afin de pouvoir décrire les contraintes et les déplacements dus à un liquide de flottabilité positive stocké sous une plaque élastique. Le second axe est expérimental. Un montage expérimental a été créé afin de reproduire le stockage supposé en laboratoire. Nos résultats permettent de tester notre modèle. Troisièmement, afin de valider l'hypothèse de départ, les prédictions théoriques sont comparées à des données issues de cas naturels. Nous montrons d'abord que notre modèle permet de reproduire la répartition des grandes déformations observées au volcan Uturuncu en Bolivie. Plus généralement, nous montrons que les contraintes produites par la chambre magmatique dans la plaque, peuvent provoquer des failles circulaires au-dessus de la chambre magmatique. Ce résultat a des implications directes pour la compréhension de la formation des caldeiras lors des éruptions majeures des grands systèmes siliciques.

Huge silicic magmatic systems can produce devastating eruptions with emitted volumes above 100 km³. The shape and the organisation of magmatic storage are still debated, despite their crucial influence on the results of theoretical predictions. We choose to look at the problem in a new light, by thinking about the physical reasons that explain the formation of a storage zone. This is in order to better understand stresses produced by the magma chamber in the host rocks. Our hypothesis is that silicic magma, due to its positive buoyancy, rises through the ductile continental crust as a diapir, and is then stopped by the brittle-ductile transition. This PhD follows three axes. The first presents the adaptation of a published theoretical plate-model which enables us to describe the stresses and displacements due to the storage of a buoyant liquid under an elastic plate. The second axis is an experimental one. An apparatus was built to reproduce experimentally the storage configuration assumed. Our results, allow us to test our model. Thirdly, in order to validate our starting hypothesis, numerical results are compared with data from natural systems. We show that our model can reproduce the large observed deformation at Uturuncu volcano in Bolivia. Then, more broadly, we show that stresses produced in the plate by the magma chamber can produce circular faults above the storage zone. This result has direct implications for the understanding of caldera formation during large silicic eruptions.