2012, Earth and Planetary Sciences Letters, 359-360, pp 93-105

Contexte de la recherche et explications pour le grand public

Abstract

Surface deformation analysis in volcanic edifices in response to shallow magma intrusion is crucial for assessing volcanic hazards. In this paper, we discuss the effect of dyke propagation mode on surface deformation through 2D laboratory models. Our experimental setup consists of a Hele-Shaw cell, in which a model magma is injected into a cohesive model crust. Using an optical image correlation technique (Particle Imaging Velocimetry), we measured the surface deformation, the displacements and the strain field induced by magma emplacement within the country rock. We identify two types of intrusion morphologies (Types A and B), which exhibit two evolutional stages. During the first stage, both types resulted in a vertical dyke at depth; its propagation was controlled by both shear deformation and tensile opening. The model surface lifted up to form a smooth symmetrical dome, resulting in tensile cracks. During the second stage, Types A and B experiments differ when the dyke reaches a critical depth. In Type A, the intrusion gradually rotates, forming an inclined sheet dipping between 45° and 65°. This rotation results in asymmetrical surface uplift and shear failure upon the tip of the dyke. In Type B, the dyke tip interacts with tensile cracks formed during the first stage. This fracture controls the subsequent propagation of the dyke toward the surface. In both types of experiments, intrusions result in surface uplift, which can be accommodated by reverse faults. Our study suggests that dykes propagate as viscous indenters, rather than linear elastic fracturing.

Pour prédire les éruptions volcaniques, il est crucial de comprendre les déformations induites par la remontée du magma vers la surface. En effet, avant une éruption volcanique, les méthodes géodésiques actuelles permettent de mesurer des mouvements à la surface des volcans (gonflement, subsidence). Ces mouvements sont associés à la remontée du magma. Or, il n'est facile de corréler ces mouvements avec le trajet du magma dans le sous-sol, information importante pour la prédiction de l'éruption. Pour aider l'interprétation de ces signaux de surface, nous avons réalisé des modèles expérimentaux nous permettant de simuler la propagation verticale d'un dyke magmatique ("filon" magmatique) jusqu'en surface. Dans nos expériences, le fluide utilisé pour simuler le magma est un sirop de sucre dont la rhéologie est dimensionnée (les propriétés sont mises à l'échelle) par rapport à un magma naturel. Le matériau simulant le sous-sol est constitué d'une poudre de silice dont le comportement mécanique est proche des matériaux naturels cassants (dépôts volcaniques, sédiments...). Dans nos expériences, le fluide se propage par fracturation hydraulique jusqu'en surface, induisant des déformations qui sont analysées en continue par des méthodes de corrélation d'images. Nous avons pu montrer que lorsque le magma approchait de la surface, le dyke ne se propageait plus de la même manière (changement du mode de fracturation) et que ceci était corrélable avec une accélération du gonflement de surface. La symétrie ou la dissymétrie du gonflement est lui aussi directement corrélable avec la géométrie de l'intrusion magmatique.

Les expériences ont été menées par Mansour Abdelmalak (docteur en Géosciences de l'Université du Maine, actuellement en post-doc en Norvège), sous la direction de Régis Mourgues. Ce projet s'inscrit dans une collaboration avec le PGP d'Oslo (Norvège). Ce projet se poursuit sous la forme d'un Partenariat Hubert Curien (2013) permettant un échange de chercheurs entre la France et la Norvège.

Fracture mode analysis and related surface deformation during dyke intrusion: Results from 2D experimental modelling

Abdelmalak, M., Mourgues, R., Galland, O., Bureau, D.

Abdelmalak, M., Mourgues, R., Galland, O., Bureau, D., 2012, Fracture mode analysis and related surface deformation during dyke intrusion: Results from 2D experimental modelling, E.P.S.L., 359-360, 93-105.