La structure interne du Piton de la Fournaise

Benoît Taisne ST 2 La structure interne du Piton de la Fournaise Eruption du 27/03/2001 Tuteurs : Michel Semet et Benoît Villemant

Sommaire Introduction p 2 I Principes des méthodes utilisées A L étude sismique p 3 B L étude gravimétrique p 4 II Données obtenues dans le cas du Piton de la Fournaise A En sismique 1 Acquisition des données p 5 2 Traitement et interprétation des données p 6 2-1 Enregistrement issu de la flûte p 6 2-2 Enregistrement issu de séismomètre fixe p 7/8 B En gravimétrie 1 Acquisition des données p 9 2 Traitement et interprétation des données 2-1 Choix de la carte des anomalies p 10 2-2 Interprétation de la carte des anomalies p 11 2-2-1 Méthodologie p 11 2-2-2 Exemples de coupes p 12 Conclusion p 13 Bibliographie et référence des figures présentées p 14 1

Introduction Nous allons étudier la structure interne du Piton de la Fournaise, a partir de deux méthodes géophysiques sélectionnées pour le mémoire : la prospection sismique, et la prospection gravimétrique. L étude complète se faisant avec le recoupement d études issues de plusieurs disciplines des sciences de la terre ( géochimie, géophysique, pétrologie ). Elle nécessite les techniques et les technologies les plus modernes ( informatique, électronique, satellite ). Nous allons donc à l aide de la prospection sismique et de la prospection gravimétrique tenter de décrire le sous sol du Piton de la Fournaise, et d en déduire les mécanismes internes. Nous baserons notre étude sur des articles du «Journal of geophysical research» (Gallart et al., 1999, Chavaris et al., 1999, de Voogd et al., 1999, Malengreau et al., 1999), des résumés d articles tirés de «Le volcanisme de la Réunion Monographie» (Lénat et Bachèlery, 1990), et de divers sites Internet (IPGP, DGA). Figure 1 : Carte de situation de l île de la Réunion 2

I-Principes des méthodes utilisées A-L étude sismique La méthode de prospection sismique consiste à observer en surface, à l aide de capteurs spécifiques disposés en ligne, les ondes issues d une source artificielle qui sont - réfléchies sur les couches géologiques Sol Source Géophones ( ou hydrophones ) Milieu 1 ( ou eau ) V1 Interface Milieu 2 V2 Figure 2 : Sismique réflexion - réfractées dans certaines conditions, le long d une interface Source Géophones ( ou hydrophones ) Sol Milieu 1 I c I c I c ( ou eau ) V1 Interface I c est l angle critique pour le quel les ondes sont réfractées. Milieu 2 V2 > V1 Figure 3 : Sismique réfraction Il faut noter que les surfaces repérées en sismique réfraction sont des interfaces séparant un milieu inférieur d une vitesse de propagation des ondes plus grandes que le milieu qui le recouvre. Après traitement des données recueillies on en déduit la succession des couches géologiques, leurs pendages et la vitesse de propagation des ondes en leur sein ( qui est liée à la nature des roches traversées ). 3

B-L étude gravimétrique La méthode de prospection gravimétrique consiste à enregistrer le champs de pesanteur et à comparer les mesures obtenues avec une courbe théorique pour la région étudiée. Cette courbe théorique tient compte du relief, et d une certaine densité pour l ensemble des roches. Les écarts entre la courbe expérimentale et la courbe calculée donnent les anomalies négatives ou positives, dûes à des écarts de densité des roches par rapport à la densité prise comme référence pour la courbe théorique. On peut alors obtenir une carte des anomalies qui sera interprétée. Courbe expérimentale Courbe théorique Différence entre la courbe théorique et la courbe expérimentale Et anomalies correspondantes mgal Contraste de densité Contraste de densité + 0.2 +0.4 profondeur Figure 4 : Exemple de courbes gravimétriques Les mesures se font sur toute la surface à étudier, et non plus de façon linéaire comme en sismique. Les mesures sont faites en des points dont la hauteur et les coordonnées géographiques sont connues avec un maximum de précisions ( ex : relevées G.P.S. ). Il est nécessaire de retourner régulièrement à un point de référence pour noter l erreur dûe à l appareil, qui, du fait de sa mécanique très fragile, est susceptible de se dérégler au cours du temps et avec les chocs. 4

II-Données obtenues dans le cas du Piton de la Fournaise A-En sismique 1-Acquisition des données Les études sismiques dans le cas de La Réunion ont été faites, pour établir la structure globale de l île et de la croûte océanique qui la supporte. (Chavaris et al.,1999) Courbe bathymétrique - 1000 m Courbe bathymétrique - 4000 m OBS Détails de l île PF : Piton de la Fournaise LS : «Land Seismometer» OBS : «Ocean Bottom Seismometer» LS Figure 5 : Tracés des profils sismiques effectués durant la campagne REUSIS Les profils sismiques sont obtenus par prospection marine. Un bateau traîne une source sismique artificielle, constituée d un ensemble de 8 canons à air d une capacité de 16 litres chacun, tirant simultanément toutes les 80 secondes ( soit tous les 200 m en tenant compte de la vitesse constante du bateau ) à la pression de 140 bars. Les données sont recueillies par une «flûte», et par des détecteurs fixes : les «Ocean Bottom Seismometer» ( OBS ) et les «Land Seismometer» ( LS ). 5

2-Traitement et interprétation des données Les données obtenues sont traitées informatiquement, pour rendre la lecture des enregistrements plus agréable! Différents filtres sont utilisés dans le but de sélectionner les échos principaux, et d éliminer les échos secondaires ( dus à un phénomène de réflexion multiple ). On obtient différents types d enregistrement, ceux issus des LS et des OBS, qui sont semblables, et ceux qui sont fournis par la «flûte». 2-1- Enregistrement issu de la flûte 10 km Failles majeures Sédiment Base de l édifice volcanique Sommet de la croûte océanique Figure 6 : Exemple d enregistrement issu de la flûte Les données que l on peut tirer d un enregistrement issu de la flûte, renseigne sur la succession des couches dans les fonds marins, ce qui n est pas notre propos dans le présent mémoire. 6

2-2-Enregistrement issu de séismomètre fixe ( LS et OBS ) Les séismomètres sont localisés sur la figure 5. Les séismomètres fixes enregistrent les ondes issues des tirs effectués en mer par le bateau qui se rapproche de la côte suivant un tracé précis, les séismomètres sont localisés sur la figure 4. Pour les séismogrammes ci-dessous ( figure 7 ) le tracé R4 a été utilisé pour LS 1 et LS 7, et le tracé R23 pour LS 29 et LS 39. Les distances en abscisse correspondent à l éloignement en kilomètres de la source sismique. L ordonnée correspond aux temps de parcours des ondes en secondes. Figure 7 : Exemples d enregistrements issus de séismomètre fixe L analyse de ces séismogrammes renseigne sur la profondeur des différentes structures ainsi que sur la vitesse de propagation des ondes au sein de ces structures. C est ainsi que l on a pu constituer une coupe synthétique de l île en figurant la vitesse des ondes P ( ondes de compression ). (Gallart et al., 1999) 7

Cette coupe a été obtenue à partir des données provenant de 36 stations terrestres et de 6 stations sous-marines, qui ont enregistré les tirs faits tous les 200 mètres le long des tracés R4 et R23. L analyse en détail de la zone sous-jacente de l île montre une intéressante hétérogénéité dans la répartition des vitesses. On remarque en effet une zone à forte vitesse remontant vers la surface, qui pourrait correspondre à l origine du matériel magmatique engendrant les éruptions en surface. Figure 8 : Coupe de l île, montrant la répartition des vitesses de propagation des ondes P Si cette méthode nous a permis de localiser l origine profonde du matériel magmatique, elle n est pas assez précise pour nous donner la structure du complexe magmatique, dans la zone superficielle de l édifice. 8

B En gravimétrie 1-Acquisition des données L acquisition des données s est faite en deux étapes, une série de mesures a été faite avant 1993, et une deuxième en 1993. En 1993, 218 mesures on été effectuées pour rendre les données géographiquement plus homogènes, 8 stations ont servi de référence pour mesurer l erreur due à l appareil. ( Malengreau et al., 1999) On notera que les forages ont été effectués pour permettre une connaissance exacte de la densité des roches et leur répartition dans le sous sol. Figure 9 : Carte des points d acquisition des données 9

2-Traitement et interprétation des données 2-1-Choix de la carte des anomalies Selon la valeur choisie, comme densité moyenne des roches, pour l établissement des courbes théoriques, on obtient différentes cartes des anomalies. Pour un édifice volcanique, il est justifié de choisir la carte des anomalies en fonction de la carte topographique. En effet les roches denses ( anomalie positive ), se situent la plus part du temps à l aplomb du centre éruptif, car elles constituent l ancien ou l actuel système d alimentation du volcan. Dans ce cas, c est la carte B qui se rapproche le plus de la carte topographique de l île ( cf. figures 10 et 11 ). Figures 10 : Cartes des anomalies de Bouger obtenues pour différentes densités La valeur prise pour la gravitée est de : 978.917,40 mgal. Les densités de références sont de 2.5 x 10 3 kg/m 3 pour la carte A, 2.7 x 10 3 kg/m 3 pour la carte B, 2.9 x 10 3 kg/m 3 pour la carte C et de 3.1 x 10 3 kg/m 3 pour la carte D. Les contours sont à 2.5 mgal d intervalle. 10

L analyse des cartes montre sans discussion deux complexes majeurs, un sous le Piton des Neiges, et l autre sous la zone du Grand Brûlé. Toutefois après une analyse plus fine des cartes obtenues nous pouvons noter une anomalie sous le Piton de la Fournaise. ( anomalie E figure 11 ) 2-2-Interprétation de la carte des anomalies. Figure 11 : Carte interprétative des anomalies de Bouguer, sur fond de carte topographique Les lignes de niveau ont une équidistance de 250 mètres. La densité de référence pour l établissement de cette carte est de 2.7 x 10 3 kg/m 3. 2-2-1-Méthodologie 1) On lève la coupe topographique du profil souhaité. 2) On y introduit une zone de densité différente par rapport à la densité de référence ( ici 2.7 x 10 3 kg/m 3 ) que l on place à une certaine profondeur. 3) Puis on ajuste : la différence de densité, la profondeur et la forme de la zone modifiée, jusqu à ce que la courbe d anomalie de Bouguer engendrée par cette modification, corresponde au mieux avec les valeurs mesurées sur le terrain. 11

2-2-2-Exemples sur les coupes 1 à 6 de la figure 11 Figure 12 : Coupes interprétatives des anomalie de Bouger Les deux anomalies majeures relevées, correspondent à d anciens centres éruptifs, d abord le Piton des Neige, puis le volcan Alizés qui correspond à l anomalie du Grand Brûlé. Les forages effectués révèlent leur structures qui sont constituées par un grand nombre de sills et de stocks gabbroïques. Les anomalies, sous l actuel volcan actif de la Réunion, le Piton de la Fournaise, ne sont pas aussi développées que sous les deux anciens centres majeurs. Cela s explique par le jeune âge de ce volcan, qui n a pas encore eu le temps de se développer à l égal de ses prédécesseurs sur les quels il repose. 12

Conclusion La comparaison des données, issues des différentes méthodes d études géophysiques, nous a permis dans un premier temps de localiser la source du matériel magmatique et dans un deuxième temps de faire une hypothèse sur sa structure. Le Piton de la Fournaise ne possède pas de chambre magmatique superficielle, mais un ensemble de petits réservoirs successifs et de sills, qui conduisent le magma issu d une chambre magmatique profonde vers la surface. Cette interprétation est d autant plus plausible, que cette structure a été vérifiée dans le cas du Piton des Neige, grâce au forage de Salazie, localisé figure 9.(Malengreau et al., 1999) Nous pourrons souligner que l étude complet de ce volcans, et la coupe proposée figure 13, sont issues d une étude pluridisciplinaire qui regroupe touts les domaines des sciences de la terre. La séismicité de la région a permis de délimiter le domaine de la zone de transfert du magma. Un étude géochimique des laves émises en surface a permis de conclure pour un transfère rapide du magma de la chambre profonde vers la surface. Figure 13 : Coupe interprétative du fonctionnement du Piton de la fournaise 13

Bibliographie - Lénat, J.-F., Bachèlery, P., 1990, Structure et fonctionnement interne de la zone du Piton de la Fournaise, dans Lénat, J.-F., ed., Le volcanisme de la Réunion Monographie, Volume 1 ère Edition : Clermont-Ferrand, France, Centre de Recherches Volcanologique, p. 257-296. Figure extraite : N 13 - Gallart, J., Driad, L., Charvis, P., Sapin, M., Hirn, A., Diaz, J., de Vooge, B., Sachpazi, M., 1999, Perturbation to the lithosphere along the hotspot track of La Réunion from an offshore-onshore seismic transect, Journal of Geophysical Research, vol. 104. NO. B2. pages 2895-2908, February 10, 1999. Figures extraites : N 7, 8 - Chavaris, P., Laesanpura, A., Gallart, J., Hirn, A., Lépine, J.-C., de Voogd, B., A Minshull, T., Hello, Y., Pontoise, B., Spatial distribution of hotspot material added to the lithosphere under La Réunion, from wide-angle data, Journal of Geophysical Research, vol. 104. NO. B2. pages 2875-2893, February 10, 1999. Figures extraites : N 1, 5 - de Voogd, B. ; Pou Palomé, S. ; Hirn, A. ; Charvis, P. ; Gallart, J. ; Rousset, D. ; Dañobeitia, J. ; Perroud, H., Vertical movements and material transport during hotspot activity : Seismic reflection profiling off shore La Réunion, Journal of Geophysical Research, vol. 104. NO. B2. pages 2855-2874, February 10, 1999. Figures extraites : N 5, 6 - Malengreau, B., Lénat, J.-F., Froger J.-L., Structure of Réunion Island (Indian Ocean) inferred from the interpretation of gravity anomalies, Jourmal of Volcanology and geothermal research, vol. 88, pages 131-146, 1999. Figures extraites : N 9, 10, 11, 12 - Site Internet du Département de Géophysique Appliquée, Université Paris 6 http://web.ccr.jussieu.fr/dga/ - Site Internet de l Institue de Physique du Globe de Paris http://www.ipgp.jussieu.fr Photos de couverture 14