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OSUG - Terre Univers Environnement

Modélisations numériques des processus de réveil d’une chambre magmatique et des signaux géophysiques associés. - Alexandre CARRARA

31 août 2016

Sujet de thèse : Modélisations numériques des processus de réveil d’une chambre magmatique et des signaux géophysiques associés.

Encadrement : Alain BURGISSER et Phillipe LESAGE

La réactivation d’un volcan dormant depuis plusieurs centaines voire millier d’années reste un phénomène mystérieux. La complexité du phénomène vient essentiellement du fait que le magma sis dans la chambre magmatique endormie est sous forme semi-solide. L’arrivée de nouveau magma vient remobiliser ce semi-solide en amenant chaleur et fluides. La réactivation est donc le passage progressif d’un milieu où les cristaux solides sont en contact continu à un milieu liquide mobile où les cristaux ne sont plus en contact et l’éruption volcanique peut avoir lieu (Burgisser & Bergantz, 2011). Ce changement se répercute sur les propriétés physiques, élastiques et sismiques du magma, réorganisant les cristaux par mélange et affectant la façon dont se propagent les ondes sismiques au travers de la chambre. Ces variations pourraient être détectables par des méthodes de corrélation de bruit sismique. Par ailleurs, en pénétrant dans le conduit, le magma remobilisé peut générer des ondes sismiques susceptibles d’être détectées en surface.
La thèse vise à modéliser la réactivation d’une chambre magmatique grâce à des simulations numériques couplant volumes finis et éléments discrets (Bergantz et al. 2015) qui permettent de répliquer la physique du passage d’un état semi-solide immobile à un état mobile convectif. Le calcul adjoint de sismogrammes synthétiques (Jousset et al., 2003 ; Virieux, 1986) implique d’étudier les mécanismes de source et la propagation des ondes sismiques dans un milieu complexe aux échelles micro et macroscopique présent dans la chambre magmatique et le conduit. Au-delà de la validation des modèles par comparaison à des éruptions canoniques (Pinatubo, 1991 ; Montserrat, 1995) dont les temps de réactivation sont connus, une partie exploratoire prédictive est envisagée. De récentes études menées sur des volcans localisés au Japon ont montrées qu’à la suite de grands séismes, plusieurs volcans andésitiques étaient réactivés quelques années plus tard. Le séisme de Tohoku-oki en 2011 est d’une magnitude (Mw 8.9-9.1) suffisante pour envisager de produire des prédictions falsifiables sur les phénomènes liés à la remontée de magma et remobilisation des chambres magmatiques des volcans Asuma, Bandai et Zao. La thèse s’organisera en trois parties :

  • Modélisation en dynamique des fluides de la réactivation d’une chambre magmatique due à l’injection d’un nouveau magma afin de connaître les conditions propice à une remobilisation. L’étude de la dynamique du mélange dans la chambre permettra d’étudier ses effets sur la pétrologie, la rhéologie et les possibles mécanismes de source sismique.
  • Modélisation directe de la génération et de la propagation d’ondes sismiques aux échelles microscopique et macroscopique et calcul de sismogrammes synthétiques.
  • Comparaison et validation du modèle sur des éruptions canoniques (Pinatubo, 1991 ; Montserrat, 1995). Prédiction des signaux enregistrés sur les volcans potentiellement réactivés par le séisme de Tohoku-oki.   References : Burgisser A., Bergantz G.W. (2011) A rapid mechanism to remobilise and homogenize highly crystalline magma bodies, Nature 471:212-215. Bergantz G.W., Schleicher J.M., Burgisser A. (2015) Open-system dynamics and mixing in magma mushes, Nature Geoscience 8:793-796. Jousset P., Neuberg J., Sturton S. (2003) Modelling the time-dependent frequency content of low-frequency volcanic earthquakes. Journal of Volcanology and Geothermal Research 128:201–223. Virieux J (1986) P-SV wave propagation in heterogeneous media : Velocity-stress finite-difference method, Geophysics 51:889-901.






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