Modélisation des interactions magma-encaissant : applications aux zones de stockage et aux conduits de volcans andésitiques, Numerical modelling of mechanical interactions between magma and host rocks : application to magma storage zone and conduit flow.

De
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Sous la direction de Philippe Lesage
Thèse soutenue le 07 janvier 2011: UNIVERSITE DE GRENOBLE, Grenoble
A travers deux champs d'étude, nous nous intéressons au couplage mécanique entre le magma et l'encaissant, utilisant des méthodes numériques. Tout d'abord, nous étudions l'influence de perturbations de contraintes sur les réservoirs magmatiques, avec comme exemple deux volcans sous-glaciaires (Islande). Au volcan Grímsvötn, notre modèle montre que les vidanges, du lac sous-glaciaire (jökulhlaup) présent dans la caldera, peuvent déclencher une éruption comme ce fut le cas en 2004, en favorisant la rupture du réservoir magmatique. L'effet est cependant faible, ce qui implique que le système magmatique doit déjà être proche des conditions de rupture avant que le jökulhlaup se produise. Au volcan Katla, notre modèle indique que les conditions de rupture sont favorisées en été durant la fonte du glacier Mýrdalsjökull. Les changements de contrainte de Coulomb montrent aussi une plus forte probabilité de séismes durant la même période, résultats en accord avec la sismicité enregistrée sous le Mýrdalsjökull. Il existe une modulation à la fois de l'activité volcanique et sismique au Katla, en relation avec la variation saisonnière de la charge glaciaire. Dans un second temps, nous travaillons sur les écoulements de magma dans les conduits andésitiques. Améliorer nos connaissances sur la dynamique du magma durant son ascension est nécessaire, car les processus dans le conduit volcanique semblent gouverner l'évolution de l'activité éruptive de ces volcans. Des précédents modèles ont montré que la viscosité du magma augmente dans la partie supérieure du conduit lors de l'écoulement, ce qui cause la formation d'un plug visqueux. Mais la relation entre la mise en place du plug et les signaux précurseurs, telles que la déformation ou la sismicité, n'est pas totalement établie. A partir de nos modèles de plug, nous trouvons que les déplacements de surface sont contrôlés par la géométrie du conduit et du plug ainsi que le contraste de viscosité entre le plug et la colonne de magma. Nous montrons que l'évolution de la taille du plug est une hypothèse possible pour expliquer les rapides transitions inflation/subsidence observées à la surface des volcans andésitiques.
-Volcanologie
-Modèles mécaniques
-Solutions numériques
-Stockage du magma
-Stabilité des réservoirs magmatiques
-Volcans sous-glaciaires islandais
-Transport de magma
-Conduit volcanique
Through two different applications, we focus on the mechanical coupling between magma and host rocks, using numerical method. First, we study the influence of stress perturbations on shallow magma chambers, with the exemple of two subglacial volcanoes (Iceland). A variation in the stress field acts to modify the magma pressure within the reservoir as well as the failure conditions to initiate an intrusion at the reservoir wall. At Grímsvötn volcano, subglacial lake discharges (so-called jökulhlaup) often occur in relation to eruptions. Our models show that jökulhlaup promote the failure of the magma reservoir and thus trigger eruptions, as observed for 2004 eruption. The triggering effect is small, so magmatic system must be already pressurized and close to failure before the discharge of the lake occurs. At Katla volcano, our models indicate that reservoir failure is highest in summer period when the ice load at Mýrdalsjökull icecap is reduced. Coulomb stress calculation predicts also an increase of earthquake occurrence at the caldera rim at the same time. A seasonal modulation of volcanic and seismic activity at Katla related to the loading/unloading of the icecap can exist. Secondly, we focus on magma conduit flow for andesitic volcanoes. Improving our knowledge of magma dynamic during ascent is a challenge, because processes occurring in the conduit seem to govern the temporal evolution of eruptive activity. Previous models showed that magma viscosity increases during flow in the upper part of the conduit, which causes the emplacement of a viscous plug. But the relationship between the plug emplacement and precursors signals, such as ground deformation or seismicity, is not yet fully described. From our plug flow model, we find that surface deformation is mainly controlled by the geometry of the conduit, the ratio between the plug length and the total conduit length and the viscosity contrast between the plug and the magma column. We show that the evolution of the plug size is a possible explanation for rapid transition between ground inflation and ground subsidence observed on andesitic volcanoes before extrusion.
-Volcanology
-Mechanical models
-Numerical solutions
-Magma storage
-Stability of magma reservoirs
-Icelandic subglacial volcanoes
-Magma flow
-Volcanic conduit
Source: http://www.theses.fr/2011GRENU002/document
Publié le : lundi 31 octobre 2011
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THÈSE
Pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE GRENOBLE
Spécialité : Sciences de la Terre et Univers, Environnement
Arrêté ministériel : 7 août 2006



Présentée par
« Fabien ALBINO »


Thèse dirigée par « Philippe LESAGE » et
codirigée par « Virginie PINEL »

préparée au sein du Laboratoire ISTerre
dans l'École Doctorale TERRE UNIVERS ENVIRONNEMENT

Modélisation des interactions
magma-encaissant : Application
aux zones de stockage et aux
conduits de volcans
andésitiques


Thèse soutenue publiquement le « 07 Janvier 2011 »,
devant le jury composé de :
Mr, Laurent, BAILLET
Professeur à l’Université Joseph Fourier, ISTerre (Grenoble), Président
Mr, Jean-François, LÉNAT
Physicien, LMV (Clermont-Ferrand), Rapporteur
Mr, Steve, TAIT
Professeur à l’Université Paris 7, IPGP (Paris), Rapporteur
Mr, Thomas, WALTER
Chercheur permanent, GFZ (Potsdam), Membre
Mme, Valérie, CAYOL
Chargé de Recherche, LMV (Clermont-Ferrand), Invitée
tel-00622537, version 1 - 12 Sep 2011tel-00622537, version 1 - 12 Sep 2011Remerciements
Je dédie cette thèse à ma mère, sans qui je ne serai pas là aujourd’hui. Elle m’a toujours
soutenu dans mon parcours et m’a donné le goût du savoir et de la curiosité. Je remercie
en premier Virginie Pinel pour m’avoir fait confiance tout au long de cette thèse. Je suis
reconnaissant envers tous ceux qui ont contribué à ce travail, et plus spécialement Hélène
Massol et Freysteinn Sigmundsson. Un grand Merci aussi aux anciens thèsards, Pierre-
François, Olivier et Aurélie pour leur accueil au début de ma thèse et leur bonne humeur.
Et aux nouvelles, Estelle, Laurence et Elodie avec leur bureau qui pétille à tout heure
de la journée. Ainsi qu’à tous les collègues du Batîment Belledonne où il fait bon vivre
(malgré le froid...). Enfin, une très grosse pensée pour mes amis de Chambéry, et plus
spécialement à Alice, Marion et Damien qui m’ont supporté tout au long de cette thèse,
me réconfortant dans les moments de doute. Avec vous, trois ans de franches rigolades,
mais aussi trois ans de discussions à refaire le monde, qui furent comme autant de bols
d’air dans la vie tourmentée d’un thèsard.
tel-00622537, version 1 - 12 Sep 2011tel-00622537, version 1 - 12 Sep 2011Résumé
A travers deux champs d’étude, nous nous intéressons au couplage mécanique entre le
magma et l’encaissant, utilisant des méthodes numériques. Tout d’abord, nous étudions
l’influence de perturbations de contraintes sur les réservoirs magmatiques, avec comme
exempledeuxvolcanssous-glaciaires(Islande).AuvolcanGrímsvötn,notremodèlemontre
que les vidanges, du lac sous-glaciaire (jökulhlaup) présent dans la caldera, peuvent dé-
clencher une éruption comme ce fut le cas en 2004, en favorisant la rupture du réservoir
magmatique.L’effetestcependantfaible,cequiimpliquequelesystèmemagmatiquedoit
déjà être proche des conditions de rupture avant que le jökulhlaup se produise. Au volcan
Katla, notre modèle indique que les conditions de rupture sont favorisées en été durant
la fonte du glacier Mýrdalsjökull. Les changements de contrainte de Coulomb montrent
aussi une plus forte probabilité de séismes durant la même période, résultats en accord
avec la sismicité enregistrée sous le Mýrdalsjökull. Il existe une modulation à la fois de
l’activité volcanique et sismique au Katla, en relation avec la variation saisonnière de la
charge glaciaire. Dans un second temps, nous travaillons sur les écoulements de magma
dans les conduits andésitiques. Améliorer nos connaissances sur la dynamique du magma
durant son ascension est nécessaire, car les processus dans le conduit volcanique semblent
gouverner l’évolution de l’activité éruptive de ces volcans. Des précédents modèles ont
montré que la viscosité du magma augmente dans la partie supérieure du conduit lors
de l’écoulement, ce qui cause la formation d’un plug visqueux. Mais la relation entre la
mise en place du plug et les signaux précurseurs, telles que la déformation ou la sismicité,
n’est pas totalement établie. A partir de nos modèles de plug, nous trouvons que les dé-
placements de surface sont contrôlés par la géométrie du conduit et du plug ainsi que le
contraste de viscosité entre le plug et la colonne de magma. Nous montrons que l’évolu-
tion de la taille du plug est une hypothèse possible pour expliquer les rapides transitions
inflation/subsidence observées à la surface des volcans andésitiques.
tel-00622537, version 1 - 12 Sep 2011Abstract
Through two different applications, we focus on the mechanical coupling between magma
and host rocks, using numerical method. First, we study the influence of stress perturba-
tionsonshallowmagmachambers,withtheexempleoftwosubglacialvolcanoes(Iceland).
A variation in the stress field acts to modify the magma pressure within the reservoir as
well as the failure conditions to initiate an intrusion at the reservoir wall. At Grímsvötn
volcano, subglaciallakedischarges(so-called"jökulhlaup")oftenoccurinrelationtoerup-
tions. Our models show that jökulhlaups promote the failure of the magma reservoir and
thus trigger eruptions, as observed for 2004 eruption. The triggering effect is small, so
magmatic system must be already pressurized and close to failure before the discharge of
the lake occurs. At Katla volcano, our models indicate that reservoir failure is highest
in summer period when the ice load at Mýrdalsjökull icecap is reduced. Coulomb stress
calculation predicts also an increase of earthquake occurrence at the caldera rim at the
same time. A seasonal modulation of volcanic and seismic activity at Katla related to
the loading/unloading of the icecap can exist. Secondly, we focus on magma conduit
flow for andesitic volcanoes. Improving our knowledge of magma dynamic during ascent
is a challenge, because processes occurring in the conduit seem to govern the temporal
evolution of eruptive activity. Previous models showed that magma viscosity increases
during flow in the upper part of the conduit, which causes the emplacement of a viscous
plug. But the relationship between the plug emplacement and precursors signals, such as
ground deformation or seismicity, is not yet fully described. From our plug flow model,
we find that surface deformation is mainly controlled by the geometry of the conduit,
the ratio between the plug length and the total conduit length and the viscosity contrast
betweentheplugandthemagmacolumn. Weshowthattheevolutionoftheplugsizeisa
possible explanation for rapid transition between ground inflation and ground subsidence
observed on andesitic volcanoes before extrusion.
tel-00622537, version 1 - 12 Sep 2011Table des matières
INTRODUCTION GENERALE 5
1 INFLUENCEDEPERTURBATIONSDEL’ETATDECONTRAINTE
SUR LES OBSERVABLES GEOPHYSIQUES
EN MILIEU VOLCANIQUE 9
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.2 Validation et limitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.3 Changement de pression à l’intérieur du réservoir . . . . . . . . . . . . . . 19
1.3.1 Accumulation de magma dans le réservoir : les modèles analytiques 19
1.3.2 Perturbation de contrainte en surface . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.4 Effet sur la déformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4.1 Pressurisation du réservoir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4.2 Variation de charge en surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.3 Couplage entre la variation de charge et le réservoir magmatique . . 30
1.5 Effet sur la sismicité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.5.1 Le critère de rupture de Mohr-Coulomb . . . . . . . . . . . . . . . . 36
1.5.2 Variation de charge en surface des volcans . . . . . . . . . . . . . . 38
1.5.3 Couplage entre la variation de charge et le réservoir magmatique . . 40
1.6 Application au volcan islandais Katla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.6.1 Contexte volcanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1
tel-00622537, version 1 - 12 Sep 2011TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES
1.6.2 Caractérisation de la déformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.6.3 Caractérisation de la sismicité . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
1.7 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
1.8 Annexe : "Consequences of local surface load variations for volcano moni-
toring : Application to Katla subglacial volcano, Iceland" . . . . . . . . . . 57
2 INFLUENCEDEPERTURBATIONSDEL’ETATDECONTRAINTE
SUR LA RUPTURE DES RESERVOIRS MAGMATIQUES 73
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
2.2 Changement de la pression de rupture du réservoir. . . . . . . . . . . . . . 76
2.2.1 Conditions de rupture des chambres magmatiques . . . . . . . . . . 76
2.2.2 Rupture de réservoirs 3D . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
2.2.3 Effet d’une perturbation de contrainte . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2.3 Résultats théoriques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
2.3.1 Influence de la géométrie du réservoir . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.3.2 Influence de la profondeur du réservoir . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.3.3 Influence du volume du réservoir . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
2.3.4 Influence de la compressibilité du magma . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.3.5 Influence de l’amplitude de la décharge . . . . . . . . . . . . . . . . 94
2.3.6 Influence de la distribution de la décharge . . . . . . . . . . . . . . 96
2.4 Discussion à travers l’exemple des volcans sous-glaciaires islandais, Grím-
svötn et Katla . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.4.1 Les jökulhaups : déclencheurs potentiels d’éruptions à Grimsvötn . 98
2.4.2 Lesvariationsdechargeglaciaire:versunemodulationdel’activité
volcanique au Katla. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
2.4.3 Annexe : "Influence of surface load variations on eruption likeli-
hood : application to two Icelandic subglacial volcanoes, Grímsvötn
and Katla" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
2.5 Desperturbationsinduitesparl’activitévolcanique:exempledelaconstruc-
tion d’un édifice volcanique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
2
tel-00622537, version 1 - 12 Sep 2011TABLE DES MATIÈRES TABLE DES MATIÈRES
2.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
2.5.2 Modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
2.5.3 Résultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
2.5.4 Vers une évolution de l’activité volcanique . . . . . . . . . . . . . . 134
2.5.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
2.5.6 Annexe I : Croissance d’un édifice en périphérie . . . . . . . . . . . 140
2.5.7 Annexe II : "On the relationship between cycles of eruptive activity
and growth of a volcanic edifice" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
3 DEFORMATION DE SURFACE INDUITE PAR DES
PERTURBATIONS DE L’ECOULEMENT DE MAGMA
DANS UN CONDUIT VOLCANIQUE 161
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
3.2 Modèle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
3.3 Résultats. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
3.3.1 Le cas référence : viscosité constante (μ ) . . . . . . . . . . . . . . 171m
3.3.2 Les déplacements induits par la mise en place du plug . . . . . . . . 174
3.3.3 La détection des signaux de déplacement . . . . . . . . . . . . . . . 180
3.3.4 L’évolution d’un plug : déplacements et taux d’extrusion . . . . . . 182
3.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
3.4.1 Les cycles de déformation du volcan Soufrière Hills . . . . . . . . . 184
3.4.2 Les inversions de tilt du volcan Mt St Helens . . . . . . . . . . . . . 192
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
3.6 Annexe:"Conditionsfordetectionofgrounddeformationinducedbyconduit
flow" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES 235
3
tel-00622537, version 1 - 12 Sep 2011tel-00622537, version 1 - 12 Sep 2011

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