Angélie Portal Laboratoire Magmas et Volcans École Doctorale des Sciences Fondamentales Étude géophysique de la structure interne d un dôme volcanique : le Puy de Dôme et son environnement (Chaîne des Puys, France) Parmi les volcans en activité à la surface de notre planète, les dômes de lave, à caractère explosif, représentent les plus dangereux, et font donc l objet de nombreuses recherches en volcanologie. L étude détaillée d un dôme actif étant une aventure périlleuse, voire dangereuse, il reste encore aujourd hui des zones d ombre quant à nos connaissances sur la structure interne de ces édifices. Afin d apporter quelques éclaircissements, les volcanologues disposent d un ensemble d outils et de méthodes : observation, imagerie, modélisations analogiques et numériques. Cette thèse s intègre dans cet axe de recherche majeur en Sciences de la Terre. L approche utilisée ici a été d étudier la structure interne d un volcan éteint, témoin de son activité passée, afin de mieux comprendre le fonctionnement des édifices actifs. Cette approche ne date d ailleurs pas d hier : «Si l étude d un volcan en activité est intéressante, celle d un vieux volcan l est peut-être encore davantage, car il porte dans ses flancs les traces d une longue suite de siècles. Si la lumière du présent éclaire le passé, celle du passé illumine singulièrement le présent.» Extrait de «Les Volcans d Auvergne», Philippe Glangeaud (géologue clermontois), 1910 1
QU EST-CE QU UN DÔME DE LAVE? Définition Un dôme de lave est une extrusion de magma * très visqueux et pauvre en gaz. En arrivant à la surface de la Terre ce magma va s accumuler et former un véritable bouchon de lave. Dôme de lave du Kelut (Indonésie) en 2007 (Photo A. Melchior). Aléas volcaniques associés À l intérieur des dômes actifs, les interactions entre, des formations géologiques variées (parties massives, failles, zones altérées ), et des phénomènes physiques comme la circulation de fluides ou de gaz, sont à l origine de nombreux aléas volcaniques. Le Lors de l éruption du Chaitén (Chili) en 2008 la colonne de principal aléa est cendre a atteint 20km. l explosivité. Sous les dômes de lave, l accumulation des gaz contenus dans le magma, peut entrainer une rupture partielle ou totale des Photo A. Vidal/AFP édifices et donner lieu à des éruptions volcaniques majeures. De grandes quantités Les dômes sont structurés en trois parties : - le cœur de lave, chaud et déformable ; - la carapace de roche partiellement ou totalement refroidie ; - le talus de matériaux non-consolidés, alimenté par des effondrements de la carapace. La formation d un dôme est cyclique, alternant des phases de croissance et de repos. de cendres peuvent alors être injectées dans l atmosphère, entrainant ainsi des risques pour les populations, l aviation ou le climat. La carapace des dômes est également affectée d instabilités dites gravitaires, qui sont récurrentes, à cause des pentes abruptes de ces édifices. L effondrement d un volume conséquent (voire de la totalité) d un dôme va être à l origine d un second aléa majeur : les écoulements pyroclastiques. Ces derniers sont destructeurs et meurtriers ; c est un tel phénomène qui a coûté la vie aux célèbres volcanologues Maurice et Katia Krafft, en 1991, sur le Mont Uzen au Japon. Écoulement pyroclastique sur le Mont Sinabung (2015, Indonésie) Photo T. Pfeiffer PROBLÉMATIQUE Comprendre les modes de croissance et l évolution des dômes de lave, à travers l étude de leur structure interne, afin d évaluer les risques volcaniques associés à ces édifices. * Les mots en rouge dans le texte représentent des termes scientifiques dont une définition simple est donnée dans le lexique en dernière page. 2
LA CIBLE DE L ÉTUDE: LE PUY DE DÔME Pourquoi? La compréhension des phénomènes éruptifs liés à l activité d un volcan passe par la caractérisation de sa structure interne. L imagerie géophysique constitue un outil adapté à ce type de problématique. Cependant, la mise en œuvre de techniques d imagerie sur des édifices volcaniques comme les dômes reste complexe et risquée. Seuls quelques rares édifices, comme le dôme de la Soufrière de Guadeloupe (Antilles), ont fait l objet d études géophysiques détaillées. L étude d un dôme éteint comme le Puy de Dôme est beaucoup plus facile à réaliser. Très accessible, ce dôme est également bien documenté. Ce dôme constitue un édifice mature, c est-à-dire que sa morphologie actuelle ne semble pas avoir été affectée par des processus de déstabilisation majeurs postérieurs à son éruption. Le dôme semble être tel qu il était lors de l arrêt de l activité éruptive, il y a 11 000 ans. Le Puy de Dôme Le Puy de Dôme, emblème de la Chaîne des Puys, est un volcan constitué de trachyte. Il est bordé par deux cônes stromboliens : le Puy Lacroix au sud et le Petit Puy de Dôme au nord. Le modèle géologique existant suggère une construction en trois étapes : - édification d un premier dôme hérissé (I) ; - effondrement du flanc est de ce dôme ; - croissance d une aiguille de lave (II) dans la cicatrice d effondrement. L éruption du dôme est également associée à une forte activité hydrothermale qui se traduit par la circulation de fluides à très haute température, dans l édifice et qui est à l origine d une forte altération du trachyte. Le trachyte altéré prend une coloration ocre. Le Puy de Dôme est l édifice le plus imposant de la Chaîne des Puys, du haut de ses 1465 m d altitude. Sa morphologie actuelle suggère des processus de mise en place différents entre la partie ouest et la partie est du dôme. 3
LES MÉTHODES D IMAGERIE Plusieurs campagnes d imagerie géophysique ont été menées sur le Puy de Dôme. Les mesures, effectuées en surface, ont permis de contraindre la distribution, en profondeur, des paramètres physiques suivants : résistivité (ou résistance) électrique, densité et aimantation des roches. Ces paramètres fournissent des informations sur la nature des roches présentes sous la surface, leur niveau d altération, leur organisation Tomographie des Résistivités Électriques - ERT Principe Étude de la distribution des résistivités électriques dans le sous-sol. Mesures La résistivité est mesurée à l aide de 4 électrodes plantées dans le sol. Plus l espace entre les électrodes est grand, plus la mesure est profonde. Gravimétrie Principe Étude des variations du champ de pesanteur terrestre dues aux structures de densité dans le sous-sol. Mesures Les mesures se font grâce à un gravimètre. Cet instrument enregistre des variations du champ de gravité de l ordre de 10-2 à 10-5 m.s -2 (pesanteur terrestre : g=9,81 m.s -2 ). Une anomalie de forte densité dans le sous-sol crée une anomalie positive du champ de gravité. Magnétisme Principe Mesure des variations du champ magnétique terrestre. Mesures Les mesures se font grâce à un magnétomètre. L amplitude du signal magnétique dépend de la composition de la roche (un basalte génère une anomalie plus forte car il est plus riche en fer). 4
LUMIÈRE SUR L INTÉRIEUR D UN DÔME Des mesures aux modèles numériques Chaque jeu de données obtenu a fait l objet d une modélisation numérique. Ce processus permet de reconstruire la distribution en 2D et/ou 3D d un des paramètres étudiés (résistivité électrique, densité et aimantation des roches). Des coupes sont ensuite extraites de ces modèles pour être comparées les unes aux autres, et émettre des hypothèses quant aux formations géologiques présentes dans le sous-sol. à leur interprétation Les modèles numériques indiquent que les formations géologiques qui constituent le dôme sont très hétérogènes. Au centre, un cœur dense et fortement aimanté montre des résistivités très variées. En revanche, autour de ce cœur, les roches semblent très résistives et de faible densité. L hypothèse émise ici est que la partie centrale du dôme pourrait être constituée de roches massives entourées de matériaux non-consolidés. Vers la surface, ce cœur rocheux pourrait présenter une altération importante issue de la circulation de fluides hydrothermaux (eau chargée en minéraux conducteurs). Des indices d altération sont d ailleurs observés sur la roche au sommet du dôme. La partie superficielle du dôme (les premiers mètres sous la surface) est caractérisée par des résistivités et des aimantations élevées, qui s étendent le long des flancs. Là encore, des roches massives sont suspectées. Des coupes sont réalisées dans les modèles géophysiques. Ci-dessus, les coupes, orientées S-N, dans les modèles 3D de distribution des résistivités électriques (haut) et de densité (milieu) sont comparées au modèle 2D de densité et aimantation (bas). De part et d autre du Puy de Dôme, les modèles suggèrent des formations de faibles densités. Ces dernières correspondent à la présence, en surface, de scories peu denses. 5
pour redéfinir l histoire géologique de la zone! Avant le Puy de Dôme La confrontation des modèles avec les observations géologiques a permis de déterminer le paysage volcanique avant l éruption du dôme. L ensemble de la Chaîne des Puys est construite sur du granite très ancien (et dans lequel s est découpé la grande Faille de Limagne). Sur ce socle rocheux se sont ensuite édifiés les premiers volcans. Sous le Puy de Dôme, il existe un ensemble d anciens cônes stromboliens. Deux d entre eux sont encore visibles : le Petit Puy de Dôme au nord et le Puy Lacroix au sud. Sous le flanc ouest, les modèles ont mis en évidence un troisième cône, le Cône de Cornebœufs, dont l existence était soupçonnée jusqu ici. C est au milieu de ces volcans que le Puy de Dôme est né. Les dépôts liés à sa construction ont partiellement, voire totalement, oblitéré les volcans déjà présents. La naissance d un dôme Le dôme en lui-même est constitué d un cœur de lave trachytique massive refroidie. La partie supérieure de ce cœur est fortement altérée, suite à la circulation de fluides hydrothermaux lors de l activité éruptive du dôme de lave. Ce cœur est entouré d une brèche d effondrement, composée de matériaux non-consolidés issus des écroulements successifs des extrusions de laves. Enfin, la partie superficielle du dôme forme une carapace de roches massives. De nouvelles interrogations La comparaison des modèles géophysiques, le long d une coupe sud-nord ici, a permis d établir un modèle géologique synthétique de la structure interne du Puy de Dôme, mais également d apporter des précisions sur la structure des édifices volcaniques qui l entourent. L étude du Puy de Dôme a permis de découvrir la présence d intrusions de magma, sous le Petit Puy de Dôme au nord du dôme, et sous le Puy des Grosmanaux au sud. La présence de ces structures soulève de nouvelles questions : quelles sont leurs dimensions et leur géométrie exactes? Comment se sont-elles mises en place? Et surtout, existe-t-il un lien entre ces intrusions et la formation du Puy de Dôme? Pour répondre à ces questions, de nouvelles études seront nécessaires. Le Puy de Dôme n a pas encore livré tous ses secrets 6
QUOI DE NEUF SUR LES DÔMES DE LAVE? Le Puy de Dôme représente le dôme de lave le mieux étudié au monde. Les résultats géophysiques obtenus constituent un travail majeur, faisant du Puy de Dôme un édifice de référence en ce qui concerne l étude des dômes de lave. La combinaison de méthodes d imagerie différentes mais complémentaires a permis d affiner le modèle global de la structure interne des dômes. Jusqu à présent, les modèles géophysiques avaient permis de caractériser des formations géologiques à l échelle des édifices (plusieurs dizaines voire centaines de mètres de dimensions). La couverture spatiale des mesures réalisées sur le Puy de Dôme a permis d étudier des structures de manière plus détaillée (quelques dizaines de mètres dans la partie sommitale du dôme). L approche scientifique d imagerie géophysique multi-méthodes décrite ici, appliquée à des dômes actifs, permettrait de caractériser les zones de faiblesses à l intérieur des édifices (parties altérées, formations non-consolidées ). Ces zones sont à l origine de la plupart des aléas volcaniques associés aux dômes de lave. Les identifier permettrait de mieux anticiper et surveiller des éruptions volcaniques majeures. Ces travaux ont également des retombées à l échelle locale. Le modèle géologique du Puy de Dôme connu jusqu ici a fait l objet d une mise à jour. Les résultats géophysiques ont apporté des détails à ce modèle et ont fourni de nouvelles informations sur les structures présentes sous la surface, ainsi que sur le dynamise éruptif qui est à l origine du dôme. Et si aujourd hui le Puy de Dôme se dresse comme le géant de la Chaîne des Puys, c est en grande partie parce qu il s est édifié sur d anciens volcans. Le volume auquel on peut s attendre pour un tel édifice en l observant dans le paysage n est donc qu un mensonge de la part d un volcan encore bien mystérieux aux yeux des volcanologues LEXIQUE Activité hydrothermale : circulation, par les fractures ou les pores de la roche d un volcan, de fluides (principalement l eau de pluie infiltrée), chauffés en profondeur par le magma qui alimente l activité éruptive. Aimantation : grandeur qui caractérise le comportement magnétique d un corps. Dans une roche, l aimantation est portée par les minéraux ferromagnésiens (Fer et Magnésium). Aléa : possibilité qu un phénomène naturel brutal menace ou affecte une zone donnée (séisme, coulée de lave, tsunami ). Cône strombolien : volcan effusif dont les éruptions sont caractérisées par l émission de coulées de lave (en opposition aux volcans explosifs comme les dômes). Champ de pesanteur terrestre : effet de l attraction de la Terre sur un corps doté d une masse. Champ magnétique terrestre : bouclier qui entoure la Terre, issu du noyau terrestre qui agit comme un aimant droit. Densité : grandeur physique qui caractérise la masse d un matériau par unité de volume (densité de l eau = 1 kg/m 3 ). Écoulement pyroclastique : mélange à haute température de gaz, vapeur d eau et de fragments de roches volcaniques qui s écoule à très grande vitesse (plusieurs centaines de km/h). Géophysique : étude des caractéristiques physiques d une planète, grâce à des techniques de mesures indirectes (équivalent de l imagerie médicale tels que IRM, Rayons X ). Intrusion : volume de magma qui pénètre des formations géologiques existantes, sans atteindre la surface. Magma : liquide à haute température (>600 C) qui donne des roches en refroidissant. Morphologie : forme et aspect visuel de la structure externe d un object, dans ce cas précis, un volcan. Résistivité : capacité d un matériau à s opposer à la circulation d un courant électrique. Scorie : fragment de lave très vésiculé et donc peu dense. Trachyte : roche volcanique issue du refroidissement d une lave visqueuse. Sur le Puy de Dôme, elle est de couleur grise et a une texture légèrement cendreuse. 7