Les volcans bouclier basaltiques se déforment sous leur propre poids, tout particulièrement en période d'éruption. À Hawaii, cette déformation co-éruptive est en majeure partie expliquée par un plan de décollement à la base des édifices, dont le glissement serait associé à la force de poussée des intrusions dans les «rift zones» (i.e. concentration de dykes subverticaux dans les zones de faiblesse de l'édifice). Cependant, cette explication n'est pas valable pour beaucoup d'autres volcans basaltiques, où l'existence d'un décollement est peu probable. Nous avons profité de l'incision intense du Piton des Neiges (La Réunion) par l'érosion pour observer la structure interne d'un volcan basaltique, et comprendre, par le terrain et la modélisation numérique, comment la déformation d'un tel édifice s'articule avec son activité magmatique. Notre étude structurale révèle que trois populations d'intrusions perpendiculaires (deux subverticales et une subhorizontale) coexistent, et que les principales zones de faiblesses sont des «sill zones» (i.e. concentrations d'intrusions subhorizontales), Parallèlement, notre étude des déformations, essentiellement cassantes, révèle que deux extensions perpendiculaires dominent dans l'édifice, avec l'apparition de régimes localement décrochants et même compressifs à proximité des sill zones. Les directions de déformations et les directions d'intrusions sont compatibles et coïncident aussi avec la direction d'écoulement des grandes avalanches de débris qui ont affectée le Piton des Neiges au cours de son histoire. À partir de ces données de terrain, nous proposons un modèle de déformation du Piton des Neiges où les intrusions dans l'édifice génèrent des cycles de permutations de contraintes. Le stade ultime de chaque cycle serait la mise en place de sills en régime compressif. En testant numériquement l'effet de telles injections sur la déformation d'un édifice, nous montrons que les sills peuvent être un facteur majeur d'instabilité, capable de conduire à des déstabilisations de flanc telles que les avalanches observées. Notre modèle conceptuel, déduit du terrain et quantifié par la modélisation, constitue ainsi une alternative au modèle de déformation hawaiien, applicable sur des édifices tels que le Piton de la Fournaise (La Réunion), Tenerife (Canaries) et Fernandina (Galapagos). Notre étude démontre enfin l'intérêt essentiel d'étudier les systèmes anciens pour mieux comprendre les volcans actifs. / Basaltic shield volcanoes deform under their own weight, especially during eruptive periods. In Hawaii, this co-eruptive deformation is mainly explained by slip events on a basal decollement plane, related to the forceful intrusion of magma into “rift zones”(i.e. high concentration of subvertical dikes in weakness areas). However, this explanation is not valid on many other basaltic shields where the existence of basal decollements is unlikely. We used the deep incision of Piton des Neiges volcano (La Réunion) to observe the internalstructure of a basaltic shield.By coupling a field work and a numerical study, we aimed at understand how deformation interacts with magmatic activity on such an edifice. Our structural study reveals that three populations of perpendicular intrusions coexist and that the main weakness areas are “sill zones” (i.e. high concentration of low-­dipping intrusions). In parallel, our study of brittle deformation structures shows that two perpendicular extensional stress fields dominate in the edifice and that strike-­slip and compressional regimes appear near sill zones. The directions of deformation are compatible with the orientations of intrusions and are also consistent with the directions of emplacement of large debris avalanches, which occurred on Piton des Neiges during its evolution. From these field data, we propose a deformation model of Piton des Neiges volcano where magma intrusion in the edifice generates cycles of stress permutations. The ultimate stage of each cycle consists in sill intrusion under a compressional regime. The numerical simulations, testing the influence of such injections on edifice deformation, reveal that sills can be major instability factors, capable of triggering large flank collapses. Our conceptual model, inferred from field work and quantified by numerical models, thus constitutes an alternative to the Hawaiian model of deformation, applicable on edifices like Piton de la Fournaise (La Réunion), Tenerife (Canary) or Fernandina (Galapagos). Our study finally demonstrates the essential interest of studying old eroded systems to understand active volcanoes.

L'étude des volcans basaltiques a démontré l'importance de leur architecture interne et de leur système intrusif dans le déclenchement de déstabilisations. Découlant d'observations indirectes, les modèles élaborés demeurent néanmoins interprétatifs. À La Réunion, l'importante érosion du Piton des Neiges, en rendant accessible sa structure interne, en fait un atout majeur pour combler ces lacunes d'observation. Ce travail s'est focalisé sur le cirque de Salazie dans le but d'accroitre les connaissances de la structure interne du volcan. Nous proposons ainsi l'existence d'une chambre magmatique litée plurikilométrique située à l'aplomb du cirque de Salazie qui appartiendrait à un édifice plus ancien estimé à plus de 2 Ma. Cette chambre est recoupée par un détachement injecté de plusieurs dizaines d'intrusions basiques et surmonté par une brèche d'avalanche de débris. La déformation cataclasique des minéraux primaires des roches plutoniques du détachement indique que cette structure s'est développée dans le domaine fragile. Une déformation ductile postérieure de basse température (< 250 °C), caractérisé par une cristallisation de chlorite, pumpellyite, zéolite et de calcite s'est ensuite développée dans le détachement. Au toit de la pile de sills, des intrusions sont brèchifiés et disséminés dans la brèche. Une analyse du sill au contact avec la brèche montre l'existence d'une fabrique magmatique asymétrique révélatrice d'un déplacement co-intrusif de l'unité sus-jacente. Ces résultats suggèrent que les volcans basaltiques s'effondrent par déformation le long de plans hydrothermalisés et confirment le rôle majeur des sills dans la déstabilisation des volcans boucliers. / The study of volcanic edifices has shown that both the internal structure and the intrusive system play a role in the initiation of flank destabilization. Arising from indirect observations, the recent models remain interpretative. On Reunion Island, the exceptional erosion of the Piton des Neiges provides a rare access to the inner structure of the basaltic edifice that is propitious to bridge these gaps. Our study focuses on the plutonic rocks outcropping in Mât River (cirque of Salazie) in order to improve our knowledge of the internal structure of Piton des Neiges. Our study allows us to reveal the presence of layered plurikilometric magma chamber under the cirque of Salazie belonging to an edifice older to 2 Ma located to the NNE from the actual summit of the Piton des Neiges. The magma chamber is crosscut by a detachment intruded by tens of basic magmatic intrusions and overlapped by debris avalanche deposits. The cataclastic deformation of primary minerals in the plutonic rocks indicates that the detachment acted as a brittle zone. This is followed by a low temperature ductile deformation (< 250 °C) characterized by crystallization of chlorite, pumpellyite, zeolite and calcite in the detachment zone. At the top of the sill zone, sills are brechified and disseminated in the breccia. The presence of an asymmetric magmatic fabric in the intrusion in contact with the breccia suggests that this sill was emplaced with a normal shear displacement of its hanging wall. These results suggest that deformation of basaltic volcanoes proceeds along hydrothermalized detachments and confirm the major implication of sill intrusions in basaltic volcano flank instability.

Les avalanches de débris, qui résultent du démantèlement des flancs des édifices volcaniques et montagneux, sont des écoulements granulaires rapides et dangereux dont le monteur est la gravité et qui présentent des distances de transport extrêmement importantes. La dynamique de leur mise en place et leurs mécanismes de transport permettant cette très grande mobilité sont des phénomènes qui demeurent encore mal compris. De nombreux modèles existent pour expliquer la grande mobilité des avalanches de débris et incluent des processus basés sur la lubrification ou la fluidification de la masse granulaire mais également sur le phénomène de désintégration dynamique des éléments. Cependant la grande majorité des modèles proposés souffre du manque d’observations de terrain et de quantification de l’évolution des matériaux au cours de leur transport au sein de la masse granulaire. Afin d’identifier les principaux mécanismes de transport des avalanches de débris, nous proposons dans ce travail une étude de terrain détaillée de dépôts d’avalanches de débris volcaniques qui résultent du démantèlement d’un volcan bouclier océanique, le Piton des Neiges (île de La Réunion, océan Indien). L’approche est couplée à un examen morphométrique (dimension fractale et circularité), exoscopique et granulométrique des particules présentes dans les dépôts. Elle est complétée par l’examen de la fabrique des dépôts basée sur l’anisotropie de la susceptibilité magnétique (ASM). Les données obtenues nous permettent de mettre en évidence une évolution de la dynamique de transport et de mise en place des dépôts d’avalanches de débris depuis les zones sources jusqu’aux domaines de dépôt distaux. On montre également que la désintégration dynamique et le gonflement dispersif qui l’accompagne opèrent tout au long du transport et à toutes les échelles au-dessus d’une limite inférieure de broyage à 500 μm. En dessous de cette limite, la réduction granulométrique résulte uniquement de processus d’attrition par friction entre les particules. La grande mobilité des avalanches de débris pourrait ainsi être expliquée par l’effet combiné de la libération d’énergie élastique par la désintégration dynamique des particules > 500μm et par une réduction de la friction interne à la matrice liée aux interactions dispersives des particules fines (< 500 μm). L’ensemble des données permettent également de préciser les directions de transport et l’ampleur des avalanches de débris liées aux déstabilisations du massif du Piton des Neiges. / Debris avalanches, resulting from flank collapses that shape volcanic and mountainous edifices are rapidand dangerous gravity-driven granular flows that travel long run out distances. The dynamic and the transport mechanisms behind this high mobility remain poorly understood. The numerous models proposed to explain this high mobility include processes based on lubrication or fluidisation of the granular mass of the flow body, but also the dynamic disintegration of the transported particles. To date,all these proposed mechanisms lack observational support and quantification of the state of the particles of the granular mass during the transport. To identify the main transport mechanisms, we propose here detailed field studies of volcanic debris avalanches deposits resulting of flank-collapse events on an oceanic shield volcano, the Piton des Neiges (La Réunion Island, Indian Ocean). This study has been combined with morphometric (fractal dimension and circularity), exoscopic and grain-size analyses. Moreover, the fabric of the deposits has been investigated by with the characteristics of the anisotropy of the magnetic susceptibility (ASM). From these data we highlight a proximal to distal evolution of the debris avalanches transport and emplacement dynamics. We demonstrate that syn-transport dynamic disintegration continuously operates with the distance from the source down to a grinding limit of 500μm. Below this limit, the particle size reduction exclusively results from the attrition of the particles by frictional interactions. Thus, the exceptional mobility of debris avalanches may be explained by thecombined effect of elastic energy release during the dynamic disintegration of the larger clasts (> 500μm) and frictional reduction within the matrix due to the dispersive interactions between the finer particles (< 500 μm). All these data also allow to specify the transport direction and the approximate size of the debris avalanches related to the Piton des Neiges destabilisations.

Les volcans boucliers basaltiques se déforment sous leur propre poids, tout particulièrement en période d'éruption. A Hawaii, cette déformation co-éruptive est en majeure partie expliquée par un plan de décollement à la base des édifices, dont le glissement serait associé à la force de poussée des intrusions dans les " rift zones " (i.e. concentration de dykes subverticaux dans les zones de faiblesse de l'édifice). Cependant, cette explication n'est pas valable pour beaucoup d'autres volcans basaltiques, où l'existence d'un décollement est peu probable. Nous avons profité de l'incision intense du Piton des Neiges (La Réunion) par l'érosion pour observer la structure interne d'un volcan basaltique, et comprendre, par le terrain et la modélisation numérique, comment la déformation d'un tel édifice s'articule avec son activité magmatique. Notre étude structurale révèle que trois populations d'intrusions perpendiculaires (deux subverticales et une subhorizontale) coexistent, et que les principales zones de faiblesses sont des " sill zones " (i.e. concentrations d'intrusions subhorizontales), Parallèlement, notre étude des déformations, essentiellement cassantes, révèle que deux extensions perpendiculaires dominent dans l'édifice, avec l'apparition de régimes localement décrochants et même compressifs à proximité des sill zones. Les directions de déformations et les directions d'intrusions sont compatibles et coïncident aussi avec la direction d'écoulement des grandes avalanches de débris qui ont affectée le Piton des Neiges au cours de son histoire. A partir de ces données de terrain, nous proposons un modèle de déformation du Piton des Neiges où les intrusions dans l'édifice génèrent des cycles de permutations de contraintes. Le stade ultime de chaque cycle serait la mise en place de sills en régime compressif. En testant numériquement l'effet de telles injections sur la déformation d'un édifice, nous montrons que les sills peuvent être un facteur majeur d'instabilité, capable de conduire à des déstabilisations de flanc telles que les avalanches observées. Notre modèle conceptuel, déduit du terrain et quantifié par la modélisation, constitue ainsi une alternative au modèle de déformation hawaiien, applicable sur des édifices tels que le Piton de la Fournaise (La Réunion), Tenerife (Canaries) et Fernandina (Galapagos). Notre étude démontre enfin l'intérêt essentiel d'étudier les systèmes anciens pour mieux comprendre les volcans actifs.