Après cinq ans et demi de sommeil, le volcan du Piton de la Fournaise (île de la Réunion, Océan Indien) est entré dans un nouveau cycle d'activité en mars 1998. Des données d'interférométrie radar (InSAR) montrent que des déplacements complexes sont associés aux cinq premières éruptions du cycle survenues entre 1998 et 2000. Une méthode a été développée pour déterminer des géométries réalistes et les surpressions des intrusions de dykes à partir de données InSAR. Cette méthode est basée sur la combinaison d'une méthode d'éléments frontières 3D et d'une inversion de type Monte Carlo. Les caractéristiques du bruit des données sont prises en compte dans les inversions. Des tests synthétiques montrent qu'un modèle est retrouvé avec succès dans la limite d'intervalles de confiance étroits. Il a été montré que négliger la topographie induit une erreur de modélisation en profondeur et une surestimation des surpressions ou des ouvertures. L'application de la méthode à chaque éruption requiert des paramétrisations spécifiques des modèles. Dans certains cas, un dyke incurvé en surface doit être introduit, dans d'autres, l'inversion simultanée de deux dykes est nécessaire. La plupart des dykes déterminés ont un pendage vers la mer de 65 degrés. Le dyke associé à la première éruption du cycle (mars 1998) s'enracine au niveau de la mer (2600m sous le sommet), tandis que les dykes suivants sont situés à moins de 1000m sous la surface du sol. La forme latéralement allongée des dykes, les déformations pré-éruptives et les essaims sismiques peuvent être expliqués par un niveau de flottabilité neutre situé à moins de 1000m sous la surface. Ceci est cohérent avec la présence de réservoirs magmatiques à ce niveau. La périodicité spatiale des intrusions de dykes, du flanc nord au flanc sud, est cohérente avec les modèles de transfert de contraintes. Finalement, des analyses en terme de contraintes de Coulomb montrent que les cinq éruptions modélisées ont principalement favorisé le glissement sur des plans potentiels subhorizontaux situés entre 1000 et 1500m au dessus du niveau de la mer.

La reconstruction 3D est un outil primordial en volcanologie : études morpho-structurales, déformation du sol, modélisation analogique. Une approche originale de reconstruction 3D spécifique aux applications volcanologiques a été développée. Basée sur l'utilisation de plusieurs images numériques acquises autour d'une surface, elle se décompose en deux étapes : (1) un calibrage précis du capteur optique (2) une reconstruction 3D reposant sur la déformation itérative d'un modèle 3D initial. La méthode a été développée et testée en laboratoire sur divers modèles analogiques. Les résultats montrent qu'elle constitue un outil de quantification souple et puissant permettant de détecter des variations fines de la morphologie. Des tests sur site réel ont aussi montré le potentiel important de la méthode dans le cadre de la surveillance volcanologique. L'approche, à la frontière entre Volcanologie et Vision par Ordinateur, offre une alternative aux méthodes classiquement utilisées.

Dans une perspective de gestion de l'aléa volcanique, il est essentiel d'être capable de détecter, suffisamment tôt, un apport superficiel de magma et sa migration éventuelle vers la surface. Il est ensuite important de pouvoir prévoir la localisation de l'éruption à venir, son amplitude et le risque de déstabilisation de l'édifice volcanique associé. Dans ce manuscrit, je mets en perspective mes travaux de recherche qui concernent, à la fois, le suivi spatio-temporel de la migration du magma par mesure radar satellitaire et le développement de modèles mécaniques dynamiques prenant en compte le couplage entre un fluide, le magma, et un solide, le milieu encaissant. Ces modèles ont pour objectif de permettre l'interprétation conjointe de différents observables, dont les mesures de déformation, en vue d'obtenir une information prédictive sur la progression du magma en profondeur.

Les développements récents sur les applications des spectromètres UV miniaturisés pour la mesure des flux de gaz volcaniques ont ouvert la possibilité de mesurer régulièrement le dégazage de volcans isolés, dont les flux de SO2 n'avaient jamais, ou rarement, été mesurés. Au Vanuatu, le dégazage d'un seul volcan sur six aériens actifs a été mesuré (1999). Cette thèse décrit les travaux réalisés sur l'étude du dégazage de quatre des édifices actifs de cet arc insulaire. Ils ont permis de mettre en évidence d'importantes sources permanentes de SO2 et d'halogènes sur les édifices volcaniques des îles d'Ambrym et de Tanna; des mesures de dégazages ont également été effectuées lors des manifestations éruptives sur les îles d'Aoba/Ambae et de Lopevi. Il ressort que les volcans du Vanuatu sont de très importantes sources de SO2 et d'halogènes. Ces sources naturelles d'émissions, liées à des manifestations volcaniques permanentes et cycliques, étaient peu connues et non prises en compte dans des bilans globaux. L'estimation minimum du flux de SO2 libéré par quatre édifices (Aoba, Ambrym, Lopevi, Yasur) du Vanuatu se situe autour de 61 kg/s, ce qui représente entre 11 et 20 % du flux global moyen de SO2 rejetés dans l'atmosphère par les volcans de la planète. Le dégazage perturbe l'écosystème, génère des pertes importantes sur les plantes et cultures dont dépendent les ni-vanuatais pour subsister. Il menace épisodiquement leur sécurité. Son étude est un apport significatif à la quantification du risque volcanique sur l'Archipel.

A travers deux champs d'étude, nous nous intéressons au couplage mécanique entre le magma et l'encaissant, utilisant des méthodes numériques. Tout d'abord, nous étudions l'influence de perturbations de contraintes sur les réservoirs magmatiques, avec comme exemple deux volcans sous-glaciaires (Islande). Au volcan Grímsvötn, notre modèle montre que les vidanges, du lac sous-glaciaire (jökulhlaup) présent dans la caldera, peuvent déclencher une éruption comme ce fut le cas en 2004, en favorisant la rupture du réservoir magmatique. L'effet est cependant faible, ce qui implique que le système magmatique doit déjà être proche des conditions de rupture avant que le jökulhlaup se produise. Au volcan Katla, notre modèle indique que les conditions de rupture sont favorisées en été durant la fonte du glacier Mýrdalsjökull. Les changements de contrainte de Coulomb montrent aussi une plus forte probabilité de séismes durant la même période, résultats en accord avec la sismicité enregistrée sous le Mýrdalsjökull. Il existe une modulation à la fois de l'activité volcanique et sismique au Katla, en relation avec la variation saisonnière de la charge glaciaire. Dans un second temps, nous travaillons sur les écoulements de magma dans les conduits andésitiques. Améliorer nos connaissances sur la dynamique du magma durant son ascension est nécessaire, car les processus dans le conduit volcanique semblent gouverner l'évolution de l'activité éruptive de ces volcans. Des précédents modèles ont montré que la viscosité du magma augmente dans la partie supérieure du conduit lors de l'écoulement, ce qui cause la formation d'un plug visqueux. Mais la relation entre la mise en place du plug et les signaux précurseurs, telles que la déformation ou la sismicité, n'est pas totalement établie. A partir de nos modèles de plug, nous trouvons que les déplacements de surface sont contrôlés par la géométrie du conduit et du plug ainsi que le contraste de viscosité entre le plug et la colonne de magma. Nous montrons que l'évolution de la taille du plug est une hypothèse possible pour expliquer les rapides transitions inflation/subsidence observées à la surface des volcans andésitiques.

Thèse (D.R.Min.) -- Université du Québec à Chicoutimi, 2005. / Bibliogr.: f. 368-390. Document électronique également accessible en format PDF. CaQCU

Un des enjeux de la volcanologie réside dans la compréhension du fonctionnement du système de stockage et de transferts magmatiques associés aux éruptions. Au Piton de La Fournaise, cette étude est ici abordée par une analyse croisée des déformations, couplée à des modélisations numériques, et aux données géochimiques de la période 1998-2007. Au sein de cette activité, nous définissons, depuis 2000, un caractère cyclique ; chaque cycle est défini par une séquence d'éruptions sommitales et latérales terminées par une éruption distale à océanite. Ces éruptions successives sont caractérisées par des dykes s'initiant à des niveaux de plus en plus profonds et des laves de plus en plus primitives. Ces cycles durant lesquels l'inflation du cône est continue, pourraient témoigner d'une réalimentation continue du système de stockage superficiel. Ces résultats permettront dans le futur une meilleure prédiction de la localisation des éruptions, selon leur position dans un cycle d'activité.

Afin de mieux prévoir le type d'éruption (effusif ou explosif) des volcans d'arc, il est primordial d'étudier les vitesses d'ascension du magma dans le conduit volcanique. Un moyen d'appréhender ces modalités d'ascension est de déterminer les cinétiques des processus intervenant lors de la remontée magmatique. Ainsi, nous avons choisi d'étudier les cinétiques de cristallisation (vitesses de nucléation et de croissance) des microlites de plagioclase par une approche expérimentale, puis théorique, à partir de compositions synthétiques reproduisant le verre rhyolitique interstitiel du magma de la Montagne Pelée et son analogue simplifié (haplotonalite). Nos résultats révèlent que le magma décomprimé à partir de 200 MPa selon différentes vitesses de décompression (ΔP/Δt = 1200, 150 et 30 MPa/hr) jusqu'à une pression finale donnée entre 160 et 25 MPa, montre différentes modalités de cristallisation des plagioclases. En particulier, plus la vitesse de décompression est lente, plus la densité numérique de cristaux est élevée. Les vitesses de nucléation des plagioclases varient de 3.8E-03 à 1.5E-02 mm-2, tandis que celles de croissance variant peu, sont de l'ordre de 10-6 mm.s-1. La modélisation de la cristallisation nous a permis de i) mieux contraindre l'énergie d'interface plagioclase/haplotonalite, en déterminant des paramètres de forme et de rugosité du nucleus à appliquer à la théorie classique de la nucléation ii) démontrer que la vitesse de croissance des plagioclases est limitée soit par la diffusion, soit par les mécanismes à l'interface iii) et qu'une croissance des plagioclases par diffusion n'est pas systématiquement contrôlée par l'élément diffusant le plus lentement, et qu'elle dépend étroitement de la nucléation. Aussi, nous avons révélé l'importance de la composition du liquide silicaté sur les cinétiques de cristallisation, en particulier l'effet inhibiteur sur la nucléation de l'ajout de quelques ppm d'arsenic dans le liquide silicaté.

L'éruption d'avril 2007 du Piton de la Fournaise (Île de la Réunion, Océan Indien) a été marquée par les plus gros volumes de lave émis de ces deux derniers siècles, ainsi que par l'effondrement du cratère sommital (le Dolomieu) sur plus de 300 mètres de haut. Des données d'interférométrie radar (InSAR) montrent que les déplacements associés à cette éruption sont inhabituels pour deux raisons : (1) ils ont affecté l'ensemble de l'enclos Fouqué durant l'éruption, (2) deux motifs de déformation ont persisté plus d'un an après la fin de l'éruption. Le premier résulte d'une subsidence centripète du cône central et le second d'un glissement vers l'est du flanc est du volcan. Une méthode, appelée tomographie de déplacements, a été développée pour modéliser les déplacements, basée sur une discrétisation du sous-sol en sources unitaires, et sur la minimisation de deux fonctions coût. Elle permet de trouver une répartition compacte des variations de volume des sources unitaires permettant de reproduire au mieux les déplacements observés. En parallèle, la procédure NA-MBEM, une méthode de modélisation basée sur la combinaison d'un modèle numérique (MBEM) et d'une inversion de type Monte Carlo (NA), a été modifiée pour diminuer le temps de calcul nécessaire à l'obtention d'un bon modèle, et nous montrons que l'utilisation de données temporellement interpolées permet d'améliorer les résultats d'inversion. L'application des deux méthodes de modélisation aux données de déplacements de l'éruption d'avril 2007, montre que durant la période post-éruptive, la subsidence du cône central est provoquée par une source localisée de manière superficielle sous le cône central. Cette source est interprétée comme un système hydrothermal en déflation, dont le drainage aurait été amorcé par l'effondrement du Dolomieu. Les déplacements du flanc est seraient dus à deux sources différentes, toutes les deux superficielles et parallèles à la topographie. L'une est interprétée comme un réservoir temporaire en cours de vidange durant la fin de l' éruption, et l'autre comme un niveau de glissement sur lequel glisserait le flanc est. Enfin, nous proposons un modèle préliminaire des déplacements ayant eu lieu durant l'éruption, ainsi qu'un scénario de la succession de tous les événements à l'origine des déformations enregistrées entre le 30 mars 2007 et juin 2008.

A travers deux champs d'étude, nous nous intéressons au couplage mécanique entre le magma et l'encaissant, utilisant des méthodes numériques. Tout d'abord, nous étudions l'influence de perturbations de contraintes sur les réservoirs magmatiques, avec comme exemple deux volcans sous-glaciaires (Islande). Au volcan Grímsvötn, notre modèle montre que les vidanges, du lac sous-glaciaire (jökulhlaup) présent dans la caldera, peuvent déclencher une éruption comme ce fut le cas en 2004, en favorisant la rupture du réservoir magmatique. L'effet est cependant faible, ce qui implique que le système magmatique doit déjà être proche des conditions de rupture avant que le jökulhlaup se produise. Au volcan Katla, notre modèle indique que les conditions de rupture sont favorisées en été durant la fonte du glacier Mýrdalsjökull. Les changements de contrainte de Coulomb montrent aussi une plus forte probabilité de séismes durant la même période, résultats en accord avec la sismicité enregistrée sous le Mýrdalsjökull. Il existe une modulation à la fois de l'activité volcanique et sismique au Katla, en relation avec la variation saisonnière de la charge glaciaire. Dans un second temps, nous travaillons sur les écoulements de magma dans les conduits andésitiques. Améliorer nos connaissances sur la dynamique du magma durant son ascension est nécessaire, car les processus dans le conduit volcanique semblent gouverner l'évolution de l'activité éruptive de ces volcans. Des précédents modèles ont montré que la viscosité du magma augmente dans la partie supérieure du conduit lors de l'écoulement, ce qui cause la formation d'un plug visqueux. Mais la relation entre la mise en place du plug et les signaux précurseurs, telles que la déformation ou la sismicité, n'est pas totalement établie. A partir de nos modèles de plug, nous trouvons que les déplacements de surface sont contrôlés par la géométrie du conduit et du plug ainsi que le contraste de viscosité entre le plug et la colonne de magma. Nous montrons que l'évolution de la taille du plug est une hypothèse possible pour expliquer les rapides transitions inflation/subsidence observées à la surface des volcans andésitiques. / Through two different applications, we focus on the mechanical coupling between magma and host rocks, using numerical method. First, we study the influence of stress perturbations on shallow magma chambers, with the exemple of two subglacial volcanoes (Iceland). A variation in the stress field acts to modify the magma pressure within the reservoir as well as the failure conditions to initiate an intrusion at the reservoir wall. At Grímsvötn volcano, subglacial lake discharges (so-called "jökulhlaup") often occur in relation to eruptions. Our models show that jökulhlaup promote the failure of the magma reservoir and thus trigger eruptions, as observed for 2004 eruption. The triggering effect is small, so magmatic system must be already pressurized and close to failure before the discharge of the lake occurs. At Katla volcano, our models indicate that reservoir failure is highest in summer period when the ice load at Mýrdalsjökull icecap is reduced. Coulomb stress calculation predicts also an increase of earthquake occurrence at the caldera rim at the same time. A seasonal modulation of volcanic and seismic activity at Katla related to the loading/unloading of the icecap can exist. Secondly, we focus on magma conduit flow for andesitic volcanoes. Improving our knowledge of magma dynamic during ascent is a challenge, because processes occurring in the conduit seem to govern the temporal evolution of eruptive activity. Previous models showed that magma viscosity increases during flow in the upper part of the conduit, which causes the emplacement of a viscous plug. But the relationship between the plug emplacement and precursors signals, such as ground deformation or seismicity, is not yet fully described. From our plug flow model, we find that surface deformation is mainly controlled by the geometry of the conduit, the ratio between the plug length and the total conduit length and the viscosity contrast between the plug and the magma column. We show that the evolution of the plug size is a possible explanation for rapid transition between ground inflation and ground subsidence observed on andesitic volcanoes before extrusion.