Evolution des conditions d`écoulement du magma dans les conduits

Evolution des conditions d’écoulement du magma dans les conduits éruptifs des volcans
andésitiques et signaux géophysiques engendrés: apport de la modélisation numérique. Encadrement: Virginie Pinel (CR, IRD, ISTerre) et Marielle Collombet (MCF,
Université de Savoie, ISTerre) Localisation: ISTerre, Université de Savoie, Chambéry. La gestion de l’aléa volcanique associé aux volcans andésitiques est rendue difficile par les
transitions brutales et, pour le moment, imprévisibles de régimes effusifs (avec formation de
dôme et de coulées) à des régimes explosifs. Une des clefs du mécanisme de ces transitions
est le contenu en gaz qui va dépendre de la composition initiale du magma, du chemin de
décompression suivi et des pertes de gaz éventuelles au cours de la remontée. En particulier,
un modèle numérique incluant un dégazage bidimensionnel du magma (Collombet, 2009)
permet de reproduire un régime effusif avec des contenus initiaux en gaz réalistes. Pour le
moment ce type de modèle recherche des conditions d’écoulements stationnaires compatibles
avec des conditions aux limites données. L’objectif de cette thèse sera d’évoluer vers des
modèles transitoires prenant en compte une évolution temporelle des conditions aux
limites en cours d’éruption. Il s’agira, par exemple, de prendre en compte l’effet de la mise
en place d’un dôme qui modifie les conditions de pression en sortie de conduit et la
perméabilité des roches encaissantes (Taisne, 2008) ou toute modification de la perméabilité
indiquées par les mesures d’émissions de gaz en surface (Edmonds et al, 2003). Ces nouveaux
modèles de dynamique des fluides seront couplés à des modèles de mécanique du solide afin
de quantifier l’évolution de la déformation et de la sismicité engendrées par des variations
d’écoulement, de rhéologie et de propriétés physiques du fluide comme proposé par Albino et
al (2011). L’objectif ultime est d’interpréter les observables géophysiques en terme de
paramètres de contrôle de l’écoulement du fluide afin d’avoir une capacité prédictive. L'étude
sera appliquée à des volcans andésitiques actifs et instrumentés, tels que le Mérapi (PPR IRD
SELTAR, demande ANR DOMERAPI) ou Montserrat. Le développement de modèles numériques représentera l’essentiel du travail mais la thèse
comportera également une partie de traitement de données de déformations acquises en
champ proche au Mérapi. Cet aspect se fera en collaboration avec François Beauducel,
Physicien à l’Institut de Physique du Globe de Paris. Profil du candidat: Le candidat devra posséder un bagage solide en géophysique et une
volonté de s’investir en modélisation numérique. Reférences: Albino,F., Pinel,V., Massol, H., and Collombet, M., 2011. Conditions for detection of ground
deformation induced by conduit flow and evolution, J. Geophys. Res., doi:10.1029/2010JB007871.
Collombet M., 2009, Two dimensional gas loss for silicic magma flows: toward more realistic
numerical models, Geophys. J. Int., doi:10.1111/j.1365-246X.2008.04086.x. Edmonds, M. and Oppenheimer, C. and Pyle, D. M. and Herd, R. A. and Thompson, G., 2003, SO2
emissions from Soufrière Hills Volcano and their relationship to conduit permeability, hydrothermal
interaction and degassing regime, J. Volcanology Geotherm. Res, 124, 23-43. Taisne, B., and C. Jaupart, Magma Degassing and Intermittent Lava Dome Growth, Geophys. Res. Letters, 35 , 2008. Insight of numerical modelling on andesitic magma flow conditions and associated
geophysical signals Supervision: Virginie Pinel (CR, IRD, ISTerre) et Marielle Collombet (MCF, Université
de Savoie, ISTerre) Location: ISTerre, Université de Savoie, Chambéry. Risk assessment on andesitic volcanoes is complex due to the rapid transitions from effusive
(involving dome building and lava flow emplacement) to explosive regimes. Such transitions
are almost impossible to forecast at the moment. One of the key parameter to understand these
transitions is related to the magma gas content, which depends on the magma initial
composition, its decompression path and the potential gas loss during magma ascent towards
the surface. A numerical model including gas loss in vertical as well as in horizontal
directions, allows at the moment to reproduce effusive regimes with realistic initial gas
contents (Collombet, 2009). This model is currently dealing with stationary regimes using
fixed boarder conditions. The purpose of the Phd thesis will be to evolve toward transient
models, which are able to include temporal evolution of the boarder conditions during
an eruption. The numerical work would imply for example to study the influence of a dome
building on the pressure conditions within the conduit as well as on the surrounding rock
permeability (Taisne, 2008) or any other change within the permeability which could be
inferred from the gas measurements at the surface (Edmonds et al., 2003). These new models
will be coupled with mechanical models in order to quantify the evolution of surface
deformations as well as seismicity in terms of rheology and physical properties of the magma
as proposed by Albino et al., (2011). The ultimate purpose of this project is to enhance the
predictive capability of the models, being able to interpret geophysical data in terms of control
parameters of the fluid flow. This study will be applied to andesitic volcanoes like the Mérapi
volcano (PPR IRD SELTAR, ANR DOMERAPI proposal) or Montserrat. The numerical model development will represent the main part of the work, however it will
also include proximal deformation data analysis. This aspect will be done in collaboration
with François Beauducel, physicist from the Institut de Physique du Globe de Paris. It is asked to the candidate to have a good knowledge in geophysics as well as a real
motivation for numerical modelling. References: Albino,F., Pinel,V., Massol, H., and Collombet, M., 2011. Conditions for detection of ground
deformation induced by conduit flow and evolution, J. Geophys. Res., doi:10.1029/2010JB007871.
Collombet M., 2009, Two dimensional gas loss for silicic magma flows: toward more realistic
numerical models, Geophys. J. Int., doi:10.1111/j.1365-246X.2008.04086.x. Edmonds, M. and Oppenheimer, C. and Pyle, D. M. and Herd, R. A. and Thompson, G., 2003, SO2
emissions from Soufrière Hills Volcano and their relationship to conduit permeability, hydrothermal
interaction and degassing regime, J. Volcanology Geotherm. Res, 124, 23-43. Taisne, B., and C. Jaupart, Magma Degassing and Intermittent Lava Dome Growth, Geophys. Res. Letters, 35 , 2008.