Spatio-temporal dynamics of the magmatic plumbing systems, towards an « early-warning clock ». Application to Dominica island (Lesser Antilles) and Kamchatka (Russia)

Dynamique spatio-temporelle des systèmes de stockage magmatique, vers une "horloge pré-éruptive". Application à l'île de la Dominique (Petites Antilles) et au Kamchatka (Russie) Les éruptions volcaniques font partie des événements les plus dévastateurs sur Terre. En contexte de subduction, les éruptions mettent en jeu généralement des magmas différenciés : après de longs séjours dans des réservoirs magmatiques, les magmas basiques issus de la fusion partielle du manteau évoluent vers des compositions différenciées, donc plus riches en silice, plus visqueuses et plus riches en éléments volatils. Ces magmas peuvent ainsi donner des styles éruptifs variés plus ou moins explosifs dépendant de différents paramètres dont la composition du magma, le volume de magma mis en jeu, et le comportement des éléments volatils lors de la remontée dans les conduits d'alimentation. Réussir à estimer le temps séparant les changements de conditions de stockage des magmas à l'intérieur d'un réservoir magmatique et le début d'une éruption est l'un des défis majeurs en volcanologie. Une observation directe du système de stockage des magmas sous les volcans est impossible mais cette échelle de temps peut être accessible notamment grâce à l'étude de cristaux amenés en surface par une éruption volcanique passée. En effet, comme les cernes des arbres, qui peuvent permettre d'obtenir des informations sur des événements passés, les cristaux qui grandissent au sein de réservoirs magmatiques alimentant des volcans enregistrent les modifications des conditions de stockage des magmas avant une éruption. Dans beaucoup d'éruptions de grande ampleur, il a été montré que des réinjections de magma ou des événements de décompression pouvaient se produire dans le réservoir et être enregistrés par les cristaux sous la forme de zonations (i.e., zones de compositions différentes du coeur du cristal). Avec le temps, un rééquilibrage des compositions chimiques entre les zonations par la diffusion d'éléments se produit (diffusion du fer et magnésium pour les orthopyroxènes, diffusion du titane dans les magnétites, par exemple). Lors d'une éruption, la diffusion est figée par le refroidissement rapide des magmas émis et il est alors possible de déterminer le temps séparant les réajustements dans le réservoir de l'éruption. Les temps de réactivation magmatique ont été étudiés au cours de cette thèse pour des volcans de zones de subduction, générant un volcanisme d'arc particulièrement dangereux, en se focalisant sur des éruptions explosives d'un volcan de l'île de la Dominique ainsi que des éruptions récentes bien monitorées de la zone de subduction du Kamchatka (Russie). Pour l'un de ces derniers exemples, les temps ont été corrélés avec les premiers signaux précurseurs de l'éruption (géophysiques et géochimiques) et permettront de mieux gérer les futures crises volcaniques. Des modèles spatio-temporels des dynamiques des zones d'alimentation magmatique à l'origine de sept éruptions sont donc proposés. Ce nouvel ensemble de données de temps de diffusion sur des volcans de zones de subduction permet une meilleure compréhension de ces systèmes, sachant que les études de temps de diffusion sur les volcans des Petites Antilles et du Kamchatka sont peu nombreuses, malgré des risques volcaniques importants pour le cas des Petites Antilles. Ces résultats sur des éruptions passées de la Dominique et du Kamchatka avec la compréhension de la dynamique des réservoirs et les corrélations entre temps pétrologiques et signaux sismiques pour l'éruption de 2010 du Kizimen sont des avancées importantes qui pourront être appliquées pour la gestion de crises volcaniques futures au niveau de zones de subduction. Si la zone de stockage des magmas pour un volcan donné est stable dans le temps, et si la corrélation entre les réajustements dans le réservoir et les signes précurseurs est montrée pour des éruptions passées, ces échelles de temps permettront, lors d'une réactivation de ces volcans, d'avoir une horloge pré-éruptive utile pour la protection des populations.