Influence de la cristallisation sur la dynamique éruptive des magmas siliceux

Doctorant : Anna Theurel

Co-encadrement : Marielle Collombet, Alain Burgisser (ISTerre), Caroline Martel (ISTO)

Introduction

Les eruptions de magma visqueux, très riches en silice, donnent souvent lieu à des changements brutaux de régimes éruptifs. Elles peuvent passer abruptement d’une eruption de type effusive avec édification progressive d’un dome, à une éruption brève et puissante de type explosive. Ce changement de type éruptif est intimement lié à la capacité du gaz à s’échapper, ou pas, de la colonne magmatique. Dans le cas de magmas très visqueux (viscosité > 106 Pa.s), les bulles de gaz sont prisonières du magma et ne peuvent pas remonter de manière indépendante vers la surface. Dans ce cas particulier, la perte de gaz est principalement reliée à la capacité des bulles à se connecter entre elles pour former un reseau perméable qui lui, permettra au gaz de percoler au travers de la matrice magmatique (Figure 1A). La connection des bulles entre elles demande des conditions physiques spécifiques. Elle dépend, entre autres, du nombre de bulles, de leur taille, de leur forme, du taux de déformation, de la présence de cristaux. Dans certains cas, de la fracturation fragile peut également intervenir localement. Ces mécanismes, lorsqu’ils sont quantifiés, permettent d’atteindre des perméabilités de l’ordre de 10-15 à 10-12 m2 (e.g., Klug and Cashman, 1996 ; Farquharson et al., 2015 ; Kushnir et al., 2016 ; Burgisser et al., 2017). Lorsqu’ils sont introduits dans des modèles numériques, ils permettent de reproduire des dynamiques éruptives de type effusif avec des taux d’extrusion compatibles avec la formation de domes, ainsi que des distributions superficielles de porosités comparables avec celles observées sur des conduits érodés (observations à l’échelle de quelques centaines de mètres) (e.g., Melnik and Sparks, 2002 ; Collombet, 2009 ; Degruyter et al. 2012 ; Cassidy et al. 2018). Cependant, ils ne permettent pas de reproduire les profils de très faibles porosités (moins de 10%) qui interviennent juste avant une éruption vulcanienne, et ce, pour des profondeurs importantes (jusqu’à plusieurs kilomètres) (cf. Collombet et al., 2021).

La prise en compte du taux de cristallinité pourait cependant permettre d’introduire un nouveau mécanisme physique capable d’augmenter les perméabilités de plusieurs ordres de grandeurs, et donc d’augmenter de manière importante l’efficacité des phénomènes de dégazage, y compris à grande profondeur. En effet, dans le cas d’une cristallinité de l’ordre de 40 à 70%, Parmigiani et al., (2017) et Degruyter et al., (2019) considèrent que les cristaux forment alors une charpente fixe suffisament solide, propice à l’étirement et à la connection des bulles entre elles, formant ainsi des chenaux d’évacuation de gaz (partie rose, Figure 1B). Ce mécanisme de chenalisation au sein d’une matrice cristalline a été décrit pour la première fois, et mis en évidence de manière numérique, dans le cadre des chambres magmatique et pour une matrice cristaline fixe par Parmigiani et al., (2017). La viabilité de ce mécanisme dans le cas des systèmes naturels et son applicabilité au cas d’un conduit volcanique en particulier, ont récemment été testées et validées par l’analyse de la cristallinité et de la porosités d’échantillons naturels par Collombet et al., (2021).

Objectifs
L’objectif de la thèse proposée au sein de l’équipe Volcan du laboratoire Isterre au Bourget du Lac est d’appliquer et de tester ce mécanisme de chenalisation grâce à des simulations numériques d’écoulement dans un conduit volcanique afin d’étudier son influence sur la dynamique éruptive. En complément de ce travail numérique, une étude expérimentale sur des magmas à haute température et à haute pression sera menée en collaboration avec Caroline Martel (ISTO) à Orléans, pour déterminer plus précisément l’influence de la taille, de la forme et de la proportion de cristaux sur la coalescence des bulles. Le ou la doctorant(e) effectuera donc une portion significative de sa thèse (environ 6 mois) au laboratoire ISTO afin de réaliser ces expériences.
Cette thèse bénéficiera du cadre scientifique et financier de l’ANR MECAMUSH (2020-2024), conjointe à nos deux laboratoires, et qui témoigne des collaborations fructueuses qui sont déjà à l’oeuvre entre les chercheurs d’ISTO et ISTerre.

Figure 1 : A) coalescence de bulles dans la partie haute du conduit volcanique. B) mécanisme de chenalisation du gaz en présence d’une forte proportion de cristaux.

Bibliographie
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