Modélisations numériques des processus de réveil d'une chambre magmatique et des signaux géophysiques associés

par Alexandre Carrara

Thèse de doctorat en Terre Solide

Sous la direction de Alain Burgisser et de Philippe Lesage.

Soutenue le 16-12-2019

à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (Grenoble) (laboratoire) .

Le président du jury était Frédéric Victor Donzé.

Les rapporteurs étaient Olivier Bachmann, Luca Caricchi.


  • Résumé

    Le réveil de volcans endormis depuis de nombreuses années (ex. Komagatake, 1640; Pinatubo, 1991) est un phénomène qui reste mystérieux. Les éruptions volcaniques sont les expressions de surface de processus prenant place dans le système magmatique sous-jacent. Les réservoirs magmatiques situés dans la croûte supérieure sont formés par des injections répétées de magmas mobiles, et résident la plupart du temps à l’état de mush. Un mush est un magma refroidi et cristallisé, où les cristaux se touchent et forment un squelette rigide qui inhibe sa capacité à s’écouler. Les chaines de forces liant ces cristaux en contact doivent être déstabilisées afin de générer des conditions pouvant mener à une éruption. Une telle déstabilisation est souvent considérée comme le résultat de la recharge du réservoir. Une meilleure compréhension des processus physiques liés à la recharge d’un mush est donc nécessaire afin d’identifier les conditions qui favorisent le déclenchement d’une éruption volcanique. La caractérisation de l’effet d’une intrusion sur les conditions physiques du réservoir et sur les signaux géophysiques associés, est nécessaire pour permettre la détection des dynamiques menant à une éruption, et de gérer au mieux les risques associés.Cette thèse explore dans un premier temps les processus physiques qui contrôlent le mouvement des cristaux dans les magmas et les mush. Les études précédentes ne considéraient pas les forces de lubrification. Ces forces hydrodynamiques sont opposées au mouvement relatif entre deux cristaux voisins. A l’aide de lois d’échelle quantifiant l’importance des différentes forces contrôlant le mouvement des cristaux et de simulations numériques utilisant la méthode des éléments discrets, couplée à la modélisation dynamique de la phase fluide (CFD-DEM), nous avons contraint l’effet de la lubrification et défini un nombre sans dimension indiquant son importance. Les résultats montrent que la lubrification s’oppose à l’initiation ou l’arrêt de mouvements dans le mush. La négliger sous-estime la durée des phases transitoires mais n’affecte pas la quantification de l’état stationnaire de l’écoulement.Nous avons utilisé des simulations CFD-DEM afin d’explorer les mécanismes d’emplacement de magmas mobiles dans un mush. Les résultats montrent que le comportement de l’intrusion est contrôlé par la vitesse d’injection et le contraste de densité entre la phase fondue du mush et celle du magma mis en place. Dans la plupart des conditions naturelles, les simulations montrent que le magma injecté se met en place sous forme d’une couche horizontale à la base du mush. Cette situation ne résulte ni en un mélange efficace entre mush et intrusion, ni en des dynamiques permettant de générer immédiatement une éruption. En revanche, la recharge du mush génère des conditions qui peuvent mener à la génération et à l’extraction de volumes de magmas possédant une éruptivité. Il apparait que le déroulement d’un événement de recharge dépend de l’évolution de la densité relative entre la phase fondue du mush et celle du magma mis en place et de l’évolution thermique qui suit l’intrusion.La détection de volumes de magmas possédant une éruptivité à partir de données sismiques requiert une connaissance de leurs propriétés sismiques. Ces propriétés sont à ce jour mal contraintes. En utilisant une approche de phases couplées basée sur la linéarisation des équations conservatives contrôlant le mouvement des phases fluide et solide, nous avons calculé les vitesses de propagation et facteurs d’atténuation des ondes sismiques dans les magmas. Les résultats montrent que, dans les magmas chargés en cristaux, la vitesse des ondes dépend principalement du contenu en cristaux. Distinguer des magmas de différentes compositions chimiques nécessite de mesurer l’atténuation intrinsèque. Le suivi des évolutions conjointes de ces deux observables semble être l’approche la plus à même de détecter des dynamiques magmatiques menant à une éruption.

  • Titre traduit

    Numerical modeling of the physical processes causing the reawakening of a magmatic chamber and of the associated geophysical signals


  • Résumé

    The reawakening of volcanoes asleep since hundreds or thousands years (ex. Komagatake, 1640; Pinatubo, 1991) is a mysterious phenomenon. Volcanic eruptions are the surface expressions of processes occurring in the underlying magmatic systems. Long-lived magmatic reservoirs located in the upper crust have been shown to result from the accumulation of intrusions of new magmas, and spend most of their dwelling time as mush. A mush is a magma that is cooled and crystallized, in which the crystals are touching each other to form a rigid framework, that inhibit its ability to flow. The generation of eruptible conditions requires destabilizing the force chains link crystals in contact. Such destabilization is often thought to be triggered by the recharge of the mush with new magma. A better understanding of the physical processes occurring in magmatic reservoirs by the emplacement of new magma is required to identify the conditions that primer in volcanic eruptions. The characterization of the effects of the intrusion on the physical conditions of the magmatic reservoir and on the associated geophysical signals is necessary to best mitigate volcanic hazards.This thesis explores first the physical processes controlling the motions of the crystals in magmas and mush. Previous studies have not considered the presence of lubrication forces. These hydrodynamic forces are opposed to the relative motions between neighboring crystals. By developing scaling relationships of the importance of the forces controlling the motion of the solids, and numerical simulations using a Discrete Element Method coupled with a Computational Fluid Dynamic approach (CFD-DEM), we constrained the effects of lubrication on magmas and defined a dimensionless number able to predict lubrication importance. Results show that lubrication is opposed to the onset or the arrest of motions within the mush. Neglecting lubrication results in underestimating the duration of transient dynamics, but does not affect the quantification of steady-state dynamics.We then used CFD-DEM simulations to explore the emplacement mechanisms of mobile magmas within mush and their effects on the magmatic reservoir. Results show that the behavior of the intrusion is controlled by the injection velocity and by the density contrast between the two melt phases of the resident mush and the intruded material. Under most natural conditions, simulations suggest that the intruded magma is expected to pond at the base of the mush and to be emplaced as a horizontal layer. This scenario does not lead to a high degree of mixing nor to conditions for which an eruption may be triggered rapidly. The recharge in new magmas, however, generates conditions propitious for the extraction of eruptible magmas from the mush. It appears that the unfolding of a recharge event depends on the evolution of the density contrast between the mush interstitial melt and the intruded melt and on the thermal exchanges following the intrusion.The detection of volumes composed by eruptible magmas from seismic signals requires knowledge of their seismic properties, which are yet poorly constrained. We used the coupled phase approach to compute the propagation velocities and attenuation coefficients of seismic waves in magmas. This approach is based on the linearization of the continuum conservation equations that control the motions of the fluid and the solids. Results show that, in crystal-bearing magmas, the propagation velocity of compressional waves is mainly controlled by the crystal volume faction. The measure of the intrinsic attenuation coefficient is required to distinguish the chemical composition of the magmas. The joint monitoring in time of seismic waves velocities and intrinsic attenuation coefficients seems the most suitable method to detect the initiation of an eruption from a magmatic reservoir.


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