CNFGG, 11 Octobre 2012 Mesure et Modélisation en Volcanologie

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Salomé Girard
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1 MODELISATION 3D des INTERACTIONS MECANIQUES entre DEUX SYSTEMES MAGMATIQUES VOISINS F. Albino & F. Sigmundsson (1) CNFGG, 11 Octobre 2012 Mesure et Modélisation en Volcanologie

2 Introduction: les changements de contraintes autour des volcans Méthodologie: principe de rupture des chambres magmatiques Modélisation Numérique: une approche 3D Résultats et Validations: un cas théorique Exemple1: interaction mécanique entre les volcans Eyjafjallajökull & Katla pendant l éruption de 2010 à l Eyjafjallajökull Example2: interaction mécanique dans le rift AFAR pendant l épisode de rift de 2005 Conclusions

3 Changement de contraintes autour des volcans 1 Takada, 1994 Walter et al, Linde & Sacks, 1998 Manconi et al, 2009 Grapenthin et al., 2010 Albino et al, 2010 Johnston & Mauk, 1972

4 Autre source de perturbation: l éruption elle-même Des changements de contraintes associés à l éruption du volcan 1 peuvent-ils déclencher une éruption volcanique au volcan 2?

5 Rupture des chambres magmatiques Avant l éruption, la pression magmatique P c augmente jusqu à une valeur critique P r ; à cet instant la rupture de l encaissant se produit, le magma peut dès lors se propager vers la surface. P c est déduit indirectement : déformation en surface, données géochimiques P r peut être déduits des lois mécaniques ; mais il convient de définir un critère de rupture

6 Contraintes sur les paramètres mécaniques Pour expliquer les données de déformations en surface, les modèles indirects de sources magmatiques donnent des variations de la pression magmatique de 1 à quelques dizaines de MPa. Dans un espace élastique semi-infini, les solutions analytiques donnent Pr = 2Ts dans le cas d un réservoir sphérique. Mais quelles valeurs prendre pour la résistance en tension Ts: Expérimentation Mesure Modèle de propagation sur échantillons In-situ de dyke Ts = 7-16 MPa Ts = 1-6 MPa Ts = MPa (Touloukian et al., 1981) (Haimsson & Rummel, 1982) (Einarsson & Brandsdottir, 1980) (Rubin & Pollard, 1987)

7 Effet de petites perturbations de contraintes sur le réservoir magmatique Stress changes Changement de la pression de rupture P r causé par le changement du tenseur de contrainte. Variation de la pression magmatique P c due au mécanisme de compression ou dilatation du réservoir (fonction de la compressibilité du magma).

8 Modélisation: 2D VS 3D Interactions entre charge en surface et chambre magmatique Interactions entre 2 réservoirs magmatiques 2D AXIAL GEOMETRY Besoin de passer en 3D!!! développement + difficile Large coût en ressources & temps de calcul: Exemple du problème de Mogi : Albino et al., D: 1500 elmts 7000 d.o.f <1 Go 2 sec (30 modèles/min) 3D: elmts d.o.f 3 Go 2 min (30 modèles/h)

9 Notre modèle 3D 100 km z y x 100 km 100 km Croûte : Elastique Homogène - Isotrope 2 Réservoirs : cavités Etat initial : champ de contrainte lithostatique Perturbation : Surpression dans le réservoir 1

10 1er Résultat: interaction entre 2 sphères D = 10 km V = 10 km3 H = 3 km 1 MPa 1 2 avec Ts = 20 MPa

11 1er Résultat: influence de la distance D Le changement de la pression magmatique est négligeable devant la variation de la pression de rupture. L effet sur la pression de rupture décroit rapidement avec la distance entre les sources. En effet les contraintes associées à une surpression suivent une loi de puissance en 1/D 3

12 1er Résultat: influence des formes des sources

13 Eyjafjallajökull et Katla

14 Contexte géologique Sud de la Eastern Volcanic Zone (EVZ). Deux volcans sous-glaciaires. Séparés d environ 20 km. Dernière éruption: 2010 pour (E) & 1918 pour (K) (2011?). Eruptions simultanées en 1821 and Sigmundsson et al., 2010

15 Les éruptions de 2010 Débute en Mars 2010 par une éruption effusive en bordure du glacier. Emplacement de sills (intrusions horizontales) suivi par la mise en place d un dyke. Cette éruption effusive fait place à une éruption explosive en Avril 2010 Associée à la déflation d une source superficielle au centre du glacier. Sigmundsson et al., 2010

16 La mise en place successive des intrusions magmatiques durant l éruption de 2010 peut-elle perturber le système magmatique du volcan Katla au point de déclencher une éruption?

17 Géometries des intrusions pour notre modèle 1 1 Gudmundsson et al., 1994

18 Changement de pression au Katla CHANGEMENT FINAL: -2 kpa

19 Comparaison avec d autres perturbations présentes Jökulhlaups Annual melting Ice retreat Intrusive event at Grimsvötn at Myrdalsjökull at Myrdalsjökull at Eyjafjallajökull -150:+5 kpa -14 :+1 kpa +2:+3 kpa/yr -2 kpa En comparaison, la variation de charge associée au glacier Myrdalsjökull modulera l activité volcanique au Katla bien plus qu une éruption du volcan voisin Eyjafjallajökull.

20 Les évènements intrusifs pendant l éruption 2010 peuvent-ils déclencher un éruption au Katla? Peu probable: - Les deux systèmes sont d une part trop éloignés l un de l autre pour que les interactions mécaniques soient suffisantes pour déclencher une éruption. - D autre part, les géométries des intrusions de l évènement de 2010 (sills) sont celles qui produisent le moins d effet sur les conditions de rupture Mais: - Cette interaction mécanique peut être d un autre ordre, comme par exemple la présence d un système de failles entre les deux systèmes. - Indirectement, cette éruption à Eyjafjallajökull peut avoir entrainer une augmentation de la sismicité qui a son tour perturbe le système magmatique.

21 The rift AFAR

22 Contexte géologique Beutel et al., 2010 Grandin et al., 2010 dépression de l AFAR : ~10 segments magmatiques Dabbahu: mise en place d un mega-dyke en Sept Longueur: 60 km Volume total: 2 km 3. 2 volcans avec un réservoir magmatique individuel: Dabbahu & Gabho

23 De nombreuses études: déformation et modélisation Wright et al., 2006

24 Geometries utilisées pour notre modèle

25 Est-ce que l épisode de rifting de Septembre 2005 en AFAR a pu causer la rupture des chambres magmatiques des volcans Dubbahu and Gabbho?

26 Résultats sur la pression de rupture Gabho Dabbahu

27 Changements de pression à Dabbahu et Gabbho - Une diminution d environ 10 MPa est ici calculée pour la pression de rupture, c est 10 4 supérieur au cas des volcans islandais - Dans le même temps, la pression magmatique augmente de l ordre de qq MPa, ce qui renforce la probabilité de rupture du réservoir. - Dans ce cas, la surpression du dyke peut causer la rupture des réservoirs Dabbahu et Gabbho (et même si les conditions initiales sont loin des conditions de rupture).

28 Conclusions générales Des perturbations de contraintes associées à de larges intrusions verticales peuvent provoquer la rupture de tous les réservoirs magmatiques aux alentours, augmentant ainsi le volume de magma mobilisable (cas AFAR). Dans le cas de deux volcans individuels, ayant chacun leur propre réservoir magmatique, les interactions mécaniques resteront faibles. Les interactions pourront favoriser une rupture que si les deux systèmes sont distants de quelques kilomètres. Trop éloigné, le déclenchement d une éruption par ce mécanisme semble exclus (cas Eyja/Katla).

29 Merci pour votre attention Vos questions, commentaires ou suggestions sont les bienvenus!!!

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