De l'ascension du magma à l'emplacement des coulées de laves sur le plancher océanique : étude de l'éruption sous-marine de 2018 - 2020 de Fani Maoré (Mayotte, Canal du Mozambique)

From magma ascent to lava flow emplacement on seafloor : case of the 2018 - 2020 Fani Maoré deep-submarine eruption (Mayotte, Mozambique Channel)

• Auteur / Autrice : Pauline Verdurme
• Direction : Lucia Gurioli, Etienne Médard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et évolution de la terre et des autres planètes
• Date : Soutenance le 08/11/2024
• 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 : Président / Présidente : Jean-Christophe Komorowski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Oryaëlle Chevrel, Carole Berthod
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Michael Manga, Tracy K.P. Gregg

Mots clés

Mots clés contrôlés

Coulées de lave

Magmas

Mayotte

Éruptions sous-marines

Pétrologie

Mots clés libres

Analyse texturale

Viscosité

Pétrologie

Volcanisme sous-Marin

Textural Analysis

Viscosity

Petrology

Submarine Volcanism

Résumé

Le volcanisme sous-marin représente environ 75 % de l'activité volcanique sur Terre. Cependant, en raison de la difficulté d'accès aux éruptions sous-marines, celles-ci restent peu détectées, et rarement observées. Suite à la crise sismique qui a impacté Mayotte (canal du Mozambique) en mai 2018, un événement magmatique prenant racine dans la lithosphère a donné naissance à un volcan sous-marin, Fani Maoré, à 50 km de l'île. Cette éruption sous-marine effusive, qui dura environ deux ans, est la plus importante depuis le Laki (1783), avec plus de 6 km3 de lave basanitique émise à 3300 m de profondeur.Plusieurs campagnes océanographiques ont fourni un grand nombre d'échantillons couvrant l'ensemble des coulées de lave émises entre 2018 et 2020 à des résolutions spatiales et temporelles élevées. Ce jeu d'échantillons provient aussi bien du sommet du volcan que de ses coulées distales, offrant une occasion unique de comprendre les processus à l'origine de cette éruption et de la mise en place d'un volume conséquent de magmas alcalins riches en éléments volatils dans un environnement sous-marin. Pour cela, cette étude combine des observations in situ, des quantifications physiques et texturales des roches, ainsi que des mesures et calculs de viscosité.Cette thèse repose sur une analyse texturale détaillée des vésicules qui met en évidence une variation de texture allant de lave très poreuse (moyenne de 35 %) à de la lave dense (14 %). Ceci résulte d'un dégazage de plus en plus efficace au cours du temps suite à une variation des vitesses d'ascension du magma et du taux d'effusion. En parallèle, l'étude réalisée sur les cristaux (taille, forme et pourcentage) confirme l'absence de phénocristaux dans les laves de Fani Maoré. Cependant, deux populations de cristaux sont mises en évidence : les micro-phénocristaux (>100 µm) et microlites (< 100 µm). D'après les formes squelettiques des micro-phénocristaux, ces derniers se seraient formés lors de l'ascension du magma. En revanche, les microlites observés dans la matrice auraient cristallisés après la mise en place des coulées de lave. Les données texturales, les analyses géochimiques, et les mesures de viscosité ont ensuite été intégrées à des modèles de viscosité à trois phases pour (i) quantifier l'effet des cristaux et des bulles sur la viscosité, et (ii) explorer les variations rhéologiques spatio-temporelles au cours de cette éruption sous-marine. Les résultats démontrent qu'un changement rhéologique s'est produit, conduisant à une évolution de la dynamique de mise en place des coulées de lave.Cette thèse fournie donc des contraintes critiques sur (i) les processus de dégazage et de cristallisation dans le temps et l'espace, et (ii) l'évolution temporelle de la rhéologie de la lave qui a eu un impact sur l'emplacement des coulées au cours de cette éruption sous-marine majeure. Enfin, l'intérêt scientifique de cette étude met en avant la nécessité de caractériser un tel site éruptif car, dans le futur, des éruptions pourraient à nouveau se produire le long de la chaîne volcanique sous-marine de Mayotte.

Submarine volcanism accounts for around 75% of volcanic activity on Earth. However, due to the difficult access to the location of submarine eruptions, they remain poorly detected, and rarely observed. Following the seismic crisis that impacted Mayotte (Mozambique Channel) in May 2018, a lithosphere-scale magmatic event gave birth to a submarine volcano, Fani Maoré, 50 km from the island. The 2018-2020 submarine Fani Maoré eruption is the largest effusive eruption since Laki (1783), with more than 6 km3 of basanitic lava emitted at a depth of 3300 m.Numerous oceanographic campaigns provided an extensive sample set covering the entire flow field at high spatial and temporal resolutions. This extended dataset from the volcano summit, flank and distal flows presents a unique opportunity to understand the processes driving eruption and emplacement of large volume of volatile-rich alkaline magmas in a submarine environment. To achieve this, we combined in-situ observations, physical and textural quantifications of the rocks, and viscosity estimates.This thesis includes a detailed textural analysis of vesicles which brought to light a change in texture from highly vesiculated (average porosity 35%) to dense (14%) lavas during the eruption. This highlights an increasingly efficient degassing and outgassing over time most likely resulting from a variation of the magma ascent and effusion rates. In parallel, crystals were analyzed and quantified (size, shape and percentage), and results confirm the absence of phenocrysts within Fani Maoré lavas but the presence of a few percent of micro-phenocrysts (> 100 µm) and microlites (< 100 µm). According to the skeletal shapes of the micro-phenocrysts we believe that they formed most likely due to decompression-driven crystallization during magma ascent. In contrast, microlites observed within the groundmass crystallized after emplacement. We integrate the textural data and geochemical analyses as well as new viscosity measurements to three-phase viscosity models to (i) quantify the effect of crystal and bubble on viscosity, and (ii) explore the spatio-temporal rheological variations during this long-lasting submarine eruption. Results demonstrate that a rheological change occurred leading to an evolution of the lava flow emplacement dynamics.This thesis provides critical constraints on (i) degassing and crystallization processes in time as magma ascended and space as lava emplaced, and (ii) temporal evolution of the rheology that impacted the lava flow emplacement dynamics during this major submarine eruption. Finally, we highlight the need to characterize such eruptive event as eruptions might happen again along the Mayotte submarine volcanic chain.