Modélisation 3D des interactions mécaniques entre deux systèmes
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MODELISATION 3D des INTERACTIONS MECANIQUES entre DEUX SYSTEMES MAGMATIQUES VOISINS -----------------------------------------------F. Albino & F. Sigmundsson (1) CNFGG, 11 Octobre 2012 Mesure et Modélisation en Volcanologie Introduction: les changements de contraintes autour des volcans Méthodologie: principe de rupture des chambres magmatiques Modélisation Numérique: une approche 3D Résultats et Validations: un cas théorique Exemple1: interaction mécanique entre les volcans Eyjafjallajökull & Katla pendant l’éruption de 2010 à l’Eyjafjallajökull Example2: interaction mécanique dans le rift AFAR pendant l’épisode de rift de 2005 Conclusions Changement de contraintes autour des volcans 1 Takada, 1994 Walter et al, 2007 3 Linde & Sacks, 1998 Manconi et al, 2009 Grapenthin et al., 2010 Albino et al, 2010 Johnston & Mauk, 1972 Autre source de perturbation: l’éruption elle-même Des changements de contraintes associés à l’éruption du volcan 1 peuvent-ils déclencher une éruption volcanique au volcan 2 ? Rupture des chambres magmatiques Avant l’éruption, la pression magmatique Pc augmente jusqu’à une valeur critique Pr ; à cet instant la rupture de l’encaissant se produit, le magma peut dès lors se propager vers la surface. Pc est déduit indirectement : déformation en surface, données géochimiques Pr peut être déduits des lois mécaniques ; mais il convient de définir un critère de rupture Contraintes sur les paramètres mécaniques Pour expliquer les données de déformations en surface, les modèles indirects de sources magmatiques donnent des variations de la pression magmatique de 1 à quelques dizaines de MPa. Dans un espace élastique semi-infini, les solutions analytiques donnent Pr = 2Ts dans le cas d’un réservoir sphérique. Mais quelles valeurs prendre pour la résistance en tension Ts: Expérimentation sur échantillons Mesure In-situ Modèle de propagation de dyke Ts = 7-16 MPa Ts = 1-6 MPa Ts = 0.5-11 MPa (Touloukian et al., 1981) (Haimsson & Rummel, 1982) (Einarsson & Brandsdottir, 1980) (Rubin & Pollard, 1987) Effet de petites perturbations de contraintes sur le réservoir magmatique • Changement de la pression de rupture Pr causé par le changement du tenseur de contrainte. Stress changes • Variation de la pression magmatique Pc due au mécanisme de compression ou dilatation du réservoir (fonction de la compressibilité du magma). Modélisation: 2D VS 3D Interactions entre charge en surface et chambre magmatique Interactions entre 2 réservoirs magmatiques 2D AXIAL GEOMETRY Besoin de passer en 3D !!! • développement + difficile • Large coût en ressources & temps de calcul: Exemple du problème de Mogi : Albino et al., 2010 2D: 1500 elmts – 7000 d.o.f – <1 Go – 2 sec (30 modèles/min) 3D: 30 000 elmts – 140 000 d.o.f – 3 Go – 2 min (30 modèles/h) Notre modèle 3D 100 km z y 100 km x 0k 0 1 Croûte : Elastique – Homogène - Isotrope 2 Réservoirs : cavités Etat initial : champ de contrainte lithostatique Perturbation : Surpression dans le réservoir 1 m 1er Résultat: interaction entre 2 sphères D = 10 km V = 10 km3 H = 3 km avec Ts = 20 MPa 1 1 MPa 2 1er Résultat: influence de la distance D • Le changement de la pression magmatique est négligeable devant la variation de la pression de rupture. • L’effet sur la pression de rupture décroit rapidement avec la distance entre les sources. En effet les contraintes associées à une surpression suivent une loi de puissance en 1/D3 1er Résultat: influence des formes des sources Eyjafjallajökull et Katla Contexte géologique • Sud de la Eastern Volcanic Zone (EVZ). • Deux volcans sous-glaciaires. • Séparés d’environ 20 km. • Dernière éruption: 2010 pour (E) & 1918 pour (K) (2011?). • Eruptions simultanées en 1821 and 1612. Sigmundsson et al., 2010 Les éruptions de 2010 • Débute en Mars 2010 par une éruption effusive en bordure du glacier. • Emplacement de sills (intrusions horizontales) suivi par la mise en place d’un dyke. • Cette éruption effusive fait place à une éruption explosive en Avril 2010 • Associée à la déflation d’une source superficielle au centre du glacier. Sigmundsson et al., 2010 La mise en place successive des intrusions magmatiques durant l’éruption de 2010 peut-elle perturber le système magmatique du volcan Katla au point de déclencher une éruption? Géometries des intrusions pour notre modèle 1 1 Gudmundsson et al., 1994 Changement de pression au Katla CHANGEMENT FINAL: -2 kPa Comparaison avec d’autres perturbations présentes Jökulhlaups at Grimsvötn -150:+5 kPa Annual melting at Myrdalsjökull -14 :+1 kPa Ice retreat Intrusive event at Myrdalsjökull at Eyjafjallajökull +2:+3 kPa/yr -2 kPa En comparaison, la variation de charge associée au glacier Myrdalsjökull modulera l’activité volcanique au Katla bien plus qu’une éruption du volcan voisin Eyjafjallajökull. Les évènements intrusifs pendant l’éruption 2010 peuvent-ils déclencher un éruption au Katla ? Peu probable: - Les deux systèmes sont d’une part trop éloignés l’un de l’autre pour que les interactions mécaniques soient suffisantes pour déclencher une éruption. - D’autre part, les géométries des intrusions de l’évènement de 2010 (sills) sont celles qui produisent le moins d’effet sur les conditions de rupture… … Mais: - Cette interaction mécanique peut être d’un autre ordre, comme par exemple la présence d’un système de failles entre les deux systèmes. - Indirectement, cette éruption à Eyjafjallajökull peut avoir entrainer une augmentation de la sismicité qui a son tour perturbe le système magmatique. The rift AFAR Contexte géologique Beutel et al., 2010 Grandin et al., 2010 • dépression de l’AFAR : ~10 segments magmatiques • Dabbahu: mise en place d’un mega-dyke en Sept. 2005 Longueur: 60 km – Volume total: 2 km3. • 2 volcans avec un réservoir magmatique individuel: Dabbahu & Gabho De nombreuses études: déformation et modélisation Wright et al., 2006 Geometries utilisées pour notre modèle Est-ce que l’épisode de rifting de Septembre 2005 en AFAR a pu causer la rupture des chambres magmatiques des volcans Dubbahu and Gabbho ? Résultats sur la pression de rupture Gabho Dabbahu Changements de pression à Dabbahu et Gabbho - Une diminution d’environ 10 MPa est ici calculée pour la pression de rupture, c’est 104 supérieur au cas des volcans islandais - Dans le même temps, la pression magmatique augmente de l’ordre de qq MPa, ce qui renforce la probabilité de rupture du réservoir. - Dans ce cas, la surpression du dyke peut causer la rupture des réservoirs Dabbahu et Gabbho (et même si les conditions initiales sont loin des conditions de rupture). Conclusions générales Des Des perturbations perturbations de de contraintes contraintes associées associées àà de de larges larges intrusions intrusions verticales verticales peuvent peuvent provoquer provoquer la la rupture rupture de de tous tous les les réservoirs réservoirs magmatiques magmatiques aux aux alentours, alentours, augmentant augmentant ainsi ainsi le le volume volume de de magma magma mobilisable mobilisable (cas (cas AFAR). AFAR). Dans Dans le le cas cas de de deux deux volcans volcans individuels, individuels, ayant ayant chacun chacun leur leur propre propre réservoir réservoir magmatique, magmatique, les les interactions interactions mécaniques mécaniques resteront resteront faibles. faibles. Les Les interactions interactions pourront pourront favoriser favoriser une une rupture rupture que que si si les les deux deux systèmes systèmes sont sont distants distants de de quelques quelques kilomètres. kilomètres. Trop Trop éloigné, éloigné, le le déclenchement déclenchement d’une d’une éruption éruption par par ce ce mécanisme mécanisme semble semble exclus exclus (cas (cas Eyja/Katla). Eyja/Katla). Merci pour votre attention Vos questions, commentaires ou suggestions sont les bienvenus !!!
