Apport de la modélisation des déformations à la compréhension du volcanisme - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Hdr Année : 2020

Apport de la modélisation des déformations à la compréhension du volcanisme

Valérie Cayol

Résumé

AbstractMy research aims mainly at characterizing the structure and the feeding system of volcanicedifices from surface deformations. This research has led me to estimate the impact ofmagma injections on the stability of volcanic edifices. To reach these objectives, I amcarrying out in parallel methodological developments and applications to volcanic edifices,in the context of both shield volcanoes and continental rift. In order to better analyze the complexity of signals revealed by InSAR, I have developednumerical methods allowing the 3D modeling of displacements and stresses inhomogeneous elastic media. These methods take into account complex intrusion shapes(curved quadrangular), reservoirs of various shapes and mechanical interactions betweensources. I first showed the usefulness of 3D models for volcanic edifices with prominenttopographies. These methods were then combined with inversions. One of the originalityand one of the interests of these methods is that stress is the inverted parameter. Theseinversions are thus more physical, but also more informative than the commonly usedmethods that determine displacement distributions on the sources (the so-called kinematicmethods). Nos inversions may provide information on the mechanisms at the origin of thesurface displacements (sheared intrusion or fault), and on the crustal stresses (lithostaticversus extensive). Since 2013, in collaboration with mathematicians, we are developing anew class of methods for heterogeneous media based on the concept of fictituousdomains, so that these methods can be fast enough to be combined with inversions. Weare currently working on solving stress variations in heterogeneous media, whether theapplications concern tectonics or volcanology. In order to make these methods accessibleto a large community of users, I have developed an interface and a web platform(http://www.opgc.fr/defvolc) for on-demand computing. Displacement analysis usually lead to non-unique models. To overcome this problem, Iintroduce other data such as continuous displacement measurements (GNSS), seismicityor gravity data, and I take into account the physics of the studied phenomena. Jointinversions of continuous GNSS data and InSAR data have been developed to follow thepropagation of magma in an intrusion. With J. Dieterich, I have used the deformations tovalidate a new method of stress determination, based on seismicity rates and "rate andstate" friction laws. In collaboration with physicists, a robust method of joint inversion ofmuographic and gravimetric data has been developed to better characterize the structureof sub-kilometer volcanic edifices. Since 2018, a new method for the joint inversion oftemporal gravimetry and InSAR data for intrusions in heterogeneous 3D environments isbeing been developed. This method will be tested on 3 eruptions that occurred at Piton dela Fournaise in 2019 and were covered by our measurements. Finally, a future project,initiated during my sabbatical year at the Cascade Volcano Observatory, will be to integratedeformation, seismicity rates and gravity variations in Bayesian inversions in order toreconcile the contradictory observations (lack of deformation but increase in gravity) madeat Mt St Helens between 2010 and 2014.Deformation inversions have been applied to the study of magma transfers. At Kilauea, Iwas thus able to obtain magma feeding rates over the period 1975-1983 and showed thatthis rate (0.18 km3 /an) was twice as high as previously estimated. At Piton de laFournaise, with Yo Fukushima, we showed that intrusions were superficial (<1 km deep)and represented 11% of the volume supplied to the volcano. By inverting the set of InSARdata available since 2010 (Q. Dumont's thesis in progress) thanks to the OI² observationservice, we show that most of the intrusions intrude in a slip loop structure, which impliesthat the magma is guided by pre-existing structures. Moreover, by integrating InSAR andGNSS data (thesis of D. Smittarello), we have shown that the propagation of magma wasdiscontinuous in time, and that abrupt changes of orientation occurred, confirming the roleof structural barriers. At Nyiragongo, by analyzing the eruption of January 2002 (Thesis C.Wauthier), we discovered that the eruption was associated with two dikes, one superficial,Page 3 sur 73 intersecting the edifice, the other deeper, 40 km long, and extending under Lake Kivu. Thisanalysis led to a re-estimation of the hazard given the high concentrations of dissolved gas(CH4 and CO2) at Lake Kivu. Finally, at Nyamuragira we evaluated that, during the 2010eruption, the volume emitted was 10 times greater than the contraction of the reservoir. Iverified that this ratio was compatible with the chemical composition of the magma andtherefore its compressibility.Analyzing the deformations of volcanoes also allowed me to study the links betweenmagma transfers and tectonics. At Kilauea, I developed a model that takes into account theinteractions between the reservoir located in the rift-zones and the detachment faultlocated at the interface between the sea floor and the edifice. This model provides anexplanation for large earthquakes (M 7.2 1983 and M 6.9 2018) on the southern flank ofthe volcano. With my colleagues from the University of Reunion Island, I have explored atype of intrusion whose importance for the destabilization of volcanoes is little explored,namely sheared intrusions. This type of intrusion is always neglected in displacement datainversions. However, field studies show that most intrusions are guided by pre-existingstructures, which inevitably induce shearing. Sheared intrusions could be responsible forlarge flank slip, such as those that occurred at Piton des Neiges, and could also play animportant role on other volcanoes. Since then, in the inversions of magma intrusions, I nowinvert both pressures and shear stress drops. When in 2007 at Piton de la Fournaise, a 1.4m flank slip occurred, associated with a 35 cm uplift, it was tempting to attribute it to asheared intrusion. Nevertheless, we have shown (Marine Tridon's thesis) that this landslidewas related to a fault and not to a sheared intrusion. This study shows a slow slip typebehavior of the fault in 2007, and a creep type behavior afterwards. To explore thisbehavior, I started to use numerical codes based on the "rate and state" laws of friction tounderstand the temporal and spatial variations of the eastern flank slip of the Piton de laFournaise. This is the first time that realistic friction laws are applied to the faults of avolcanic edifice. This study will allow to better explore the hazard related to the flank slip. Itcould be extended to the southern flank of Kilauea, or the eastern flank of Etna.
RésuméMes recherches visent principalement à caractériser la structure et le systèmed'alimentation des édifices volcaniques à partir des déformations de la surface. Cesrecherches m'ont amenée à estimer l'impact des injections de magma sur la stabilité desédifices. Pour atteindre ces objectifs, je mène en parallèle des développementsméthodologiques et des applications à des édifices volcaniques dans des contextes devolcans boucliers ou de rift continental. Afin de mieux analyser les signaux complexes révélés par l'INSAR, j'ai développé desméthodes numériques permettant des modélisations 3D des déplacements et descontraintes dans des milieux élastiques homogènes. Ces méthodes prennent en comptedes formes d'intrusions réalistes (quadrangulaires courbés), des réservoirs de formesvariées et les interactions mécaniques entre sources. J'ai tout d'abord montré l'utilité demodélisations 3D avec topographies pour les édifices volcaniques. Ces méthodes ontensuite été combinées à des inversions. Une des originalités et un des intérêts de cesméthodes est que ce sont les contraintes qui sont inversées. Ces inversions sont doncplus physiques, mais aussi plus informatives que les méthodes couramment utilisées quidéterminent les déplacements des sources (méthodes dites cinématiques). Nos inversionsrenseignent sur les mécanismes à l'origine des déplacements de la surface (intrusioncisaillée ou faille), et sur les contraintes crustales (lithostatique versus extensive). Depuis2013, en collaboration avec des mathématiciens, nous développons une nouvelle classede méthodes pour milieux hétérogènes basée sur le concept de domaines fictifs, afin queces méthodes puissent être assez rapides pour utilisées dans des inversions. Nouscherchons actuellement à résoudre les variations de contraintes en milieu hétérogène,pour des applications en tectonique et en volcanologie. Afin de rendre ces méthodesaccessibles à une large communauté d'utilisateurs, j'ai développé une interface et uneplateforme web (http://www.opgc.fr/defvolc) de calcul à la demande. L'analyse des déplacements conduit le plus souvent à des modèles non uniques. Pourpalier à ce problème, j’introduis d'autres données que ce soient des données dedéplacements continus (GNSS), des données de sismicité ou de gravité, et je prends encompte la physique des phénomènes étudiés. Ainsi, des inversions conjointes de donnéesGNSS continues et de données InSAR ont été développées pour suivre la propagation dumagma dans une intrusion Avec J. Dieterich, j'ai utilisé les déformations pour valider unenouvelle méthode de détermination des contraintes, à partir des taux de sismicité et deslois de friction "rate and state". En collaboration avec des physiciens, une méthode robusted'inversion conjointe de données de muographie et de gravimétrie a été développés afinde mieux caractériser la structure d'édifices volcaniques sub-kilométriques. Depuis 2018,une nouvelle méthode d'inversion conjointe de données de gravimétrie temporelle et dedonnées InSAR, pour des intrusions en milieux 3D hétérogènes est développée. Cetteméthode sera testée sur 3 éruptions qui se sont produites au Piton de la Fournaise en2019 et qui ont été couvertes par nos mesures. Enfin, un projet futur, initié lors de monannée sabbatique au Cascade Volcano Observatory, sera d'intégrer les déformations, lestaux de sismicité et les variations de gravité dans des inversions Bayésiennes afin deréconcilier les observations contradictoires (absence de déformation mais augmentationde gravité) faites au Mt St Helens entre 2010 et 2014.Les inversions de déformations ont été appliquées à l'étude des transferts de magmas. AuKilauea, j'ai ainsi pu obtenir des taux d'alimentation en magma sur la période 1975-1983 etj'ai montré que ce taux (0.18 km3/an) était deux fois plus important que celui estiméprécédemment. Au Piton de la Fournaise, avec Y. Fukushima, nous avons montré que lesintrusions étaient superficielles (<1 km de profondeur) et représentaient 11% du volumefournis au volcan. En inversant l'ensemble des données InSAR disponibles depuis 2010(thèse de Q. Dumont en cours) grâce au service d'observation OI², nous montrons que laPage 5 sur 73 plupart des intrusions se mettent en place dans une structure en forme de loupe deglissement, ce qui implique que le magma est guidé par des structures pré-existantes. Parailleurs, en intégrant des données InSAR et GNSS (thèse de D. Smittarello), nous avonsmontré que la propagation du magma se faisait par à-coups, et que des changementsbrusques d'orientation se produisaient, confirmant le rôle des barrières structurales auPiton de la Fournaise. Au Nyiragongo, en analysant l'éruption de janvier 2002 (Thèse C.Wauthier), nous avons découvert que l'éruption était associée à deux dikes, l'unsuperficiel, recoupant l'édifice, l'autre plus profond, de 40 km de long, et s'étendant sous lelac Kivu. Cette analyse amène à ré-estimer l’aléa étant donné les fortes concentrations degaz dissous (CH4 et CO2) dans le lac Kivu. Enfin au Nyamuragira nous avons évalué que,lors de l'éruption de 2010, les volumes émis étaient 10 fois supérieurs à la contraction duréservoir. J'ai vérifié que ce ratio était compatible avec la composition chimique du magmaet donc sa compressibilité.Analyser les déformations de volcans m'a aussi permis d'étudier le lien entre transferts demagma et tectonique. Au Kilauea, j'ai développé un modèle qui prend en compte lesinteractions entre le réservoir situé dans les rift-zones et la faille en décollement située àl'interface entre le plancher océanique et l'édifice. Ce modèle fournit une explication pourles grands séismes (M 7.2 1983 et M 6.9 2018) du flanc sud du volcan. Avec mescollègues de l'Université de la Réunion, j'ai exploré un type d'intrusion dont l'importancepour la déstabilisation des volcans est peu explorée, à savoir les intrusions cisaillées. Cetype d'intrusions est toujours négligé dans les inversions de donénes de déplacements. Or,les études de terrain montrent que la plupart des intrusions sont guidées par desstructures pré-existantes, ce qui induit forcément des cisaillements. Les intrusionscisaillées pourraient être responsables des grands glissements de flancs, tels que ceux quise sont produits au Piton des Neiges, et pourraient aussi jouer un rôle important surd'autres volcans. Depuis, dans les inversions d'intrusions de magma, je prends maintenanten compte les pressions et les chutes de contraintes cisaillantes. Lorsqu'en 2007 au Pitonde la Fournaise, un glissement de flanc d'1.4 m s'est produit, associé à un soulèvementde 35 cm, il était tentant de l'attribuer à une intrusions cisaillée. Néanmoins, nous avonsmontré (thèse de Marine Tridon) que ce glissement était lié à une faille et non à uneintrusion cisaillée. Ces études montrent un comportement de type glissement lent en 2007,et de type fluage après. Pour explorer ce comportement, j'ai commencé à utiliser descodes numériques basés sur les lois de friction «rate and state» pour comprendre lesvariations temporelles et spatiales du glissement de flanc est du Piton de la Fournaise.C'est la première fois que des lois de friction réalistes sont appliquées aux failles d'unédifice volcanique. Cette utilisation permettra de mieux explorer l'aléa lié au glissement deflanc. Elle pourrait être étendue au flanc sud du Kilauea, ou au flanc est de l'Etna

Domaines

Volcanologie
Fichier principal
Vignette du fichier
HDR_VCayol.pdf (38.16 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)

Dates et versions

tel-03081057 , version 1 (18-12-2020)

Licence

Paternité

Identifiants

  • HAL Id : tel-03081057 , version 1

Citer

Valérie Cayol. Apport de la modélisation des déformations à la compréhension du volcanisme. Volcanologie. Université Clermont Auvergne, 2020. ⟨tel-03081057⟩
146 Consultations
39 Téléchargements

Partager

Gmail Facebook X LinkedIn More