Convection et dégazage d'un système magmatique : le cas du lac de lave l'Erebus, Antarctique.

Convection and degassing of a magmatic system : the case of lava lake at Erebus, Antarctica

• Auteur / Autrice : Claudia Indira Molina Polania Aury
• Direction : Alain Burgisser
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et évolution de la Terre et des autres planètes
• Date : Soutenance le 27/09/2012
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies (Orléans ; 2009-2012)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la terre d'Orléans (2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Bourdier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Louis Bourdier, Timothy Druitt, Clive Oppenheimer, Marielle Collombet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Geneviève Brandeis, Timothy Druitt

Mots clés

Mots clés contrôlés

Érebus, Mont (Antarctique)

Chaleur -- Convection

Gaz volcaniques

Éruptions volcaniques

Antarctique

Volcanologie

Mots clés libres

Système magmatique

Magmatic system

Résumé

Le phénomène de dégazage permanent observé sur le volcan Erebus s’accompagne d’une variation cyclique de la composition des gaz et du niveau de son lac de cratère que nous nous sommes proposé de modéliser en partant de l’hypothèse que ces fluctuations sont causées par l’arrivée de batch de magma naissant à faible profondeur, ascendant dans un conduit à travers duquel percole un flux continu de gaz dont l’origine est plus profonde. Nous avons tout d’abord montré par simulation numérique que la vigueur de la convection observée en surface ne pouvait être expliquée par la seule convection thermique d’un mélange liquide-cristaux. Si une alimentation continue en magma et gaz dans un système ouvert permet de simuler un comportement pulsatif de la surface, cet apport doit être suffisamment important pour que les changements de vitesse de surface ainsi générés puissent être appréciés. Le conduit doit avoir un diamètre suffisant large pour assurer la pérennité de la convection et maintenir le magma au-dessus de sa température de transition vitreuse. La présence de cristaux accélère la convection et améliore l’efficacité du transfert de chaleur entre les régions inférieures et supérieures du système magmatique ; ces cristaux se déposent dans le fond de la chambre pour former une couche de forte concentration d’une dizaine de mètres d’épaisseur. L’introduction de deux batch de magma d’origines différentes a permis de mettre en évidence combien leur composition et le comportement du lac de lave étaient sensibles à la température à laquelle ces batch sont générés. D’autre part, un batch ne contribuera au budget de dégazage dans des proportions consistantes avec les observations que si un seuil de flottabilité suffisant a été atteint. Dans le cas contraire, la migration d’une quantité de magma nécessaire à ce dégazage ne pourrait se faire que dans un conduit de très grand diamètre. Les paramètres physiques de la croute qui se forme lors du refroidissement de la surface du lac de lave, tels que son épaisseur et sa perméabilité, influent sur sa capacité à se déformer sous la pression qu’elle piège et à permettre un dégazage de type effusif. Cette pression conditionne à son tour la porosité du magma en surface et éventuellement le degré de dégazage du magma qui redescend vers la chambre magmatique. Cette étude nous a permis de mieux appréhender les mécanismes associés à une éruption de régime effusif et constitue une étape dans la compréhension de la transition à un régime explosif, préoccupation majeure des centres de surveillance volcaniques.

The observed phenomenon of permanent degassing of the volcano Erebus is accompanied by a cyclic variation of gas composition and level of its crater lake that we proposed to model in the assumption that these fluctuations are caused by the arrival of batch of magma originated at shallow depth, ascending in a conduit through which percolates a continuous flow of gas whose origin is deeper. We first showed that the observed effect of convection on the surface could not be explained solely by thermal convection of a liquid-crystals mixture. If a continuous supply of magma and gas in an open system simulates a pulsating behavior of the surface, this contribution must be large enough for the changes in surface velocity thus generated can be appreciated. The conduit diameter should be sufficient large to ensure the sustainability of convection and maintain the magma above its glass transition temperature. The presence of crystals convection accelerates and improves the efficiency of heat transfer between the upper and lower regions of the magmatic system; these crystals settle at the bottom of the chamber to form a layer of high concentration of about ten meters thickness. The introduction of two batches of magma from different depths of nucleation helped to highlight how their composition and the behavior of the lava lake were sensitive to the temperature at which they are generated. On the other hand, a batch will contribute to the degassing budget in proportions consistent with the observations only if a threshold of sufficient buoyancy was achieved. Otherwise, the migration of the amount of magma required for the degassing will only occur in a conduit of very large diameter. The physical parameters of the crust forming as the surface of the lava lake cools down, such as thickness and permeability, affect its ability to deform under pressure and to allow the trapped pressure to degas under an effusive regime. This pressure in turn influences the porosity of the magma at surface and possibly the degree of degassing of the magma being recirculated toward the magma chamber. This study allowed us to better understand the mechanisms associated with an effusive eruption regime and is a step in understanding the transition to an explosive regime, a major concern for the volcanic monitoring centers.