Séminaire Hélène Massol

Dynamique des éruptions explosives et influence de la géométrie des conduits volcaniques.

Explosive eruptions involve the fragmentation of magma that changes the flow regime from laminar to turbulent within the volcanic conduit during ascent. If the gas volume fraction is high, magma fragments and the eruption style is explosive, but if not, the magma flows out effusively out of the vent. Gas escape processes depend on how the magma can rupture, and recent experimental studies measured rupture stresses thresholds of the order of a few MPa’s. It is thus critical to model the gas content and state of stress evolution in the flowing magma within the conduit. We present a new self-consistent model of an explosive eruption from the magma chamber to the surface. Our model allows for exploring irregular geometries below the fragmentation level (2D). We first compare our model with classical 1D and 1.5D models of explosive eruptions and found that in the case of straight conduits and fragmented flows, 1D models are accurate enough to model the gas pressure and vertical velocity distribution in the conduit. However, in the case of an irregular conduit shape at depth, 2D models are necessary. Despite a certain conduit radius visible at the surface, very different stress fields within the flow could be present depending upon the position and shape of any conduit irregularities. Stresses of the order of more than 1MPa can be attained in some locations. High tensile stresses are located at the centre of the conduit, while high shear stresses are located at the conduit walls leading to several potential rupture locations. Due to the interplay between the velocity field and decompression rate, similar conduit radius visible at the surface might also lead to very different fragmentation depths with a difference of more than 1500 m between an enlarged conduit shape at some depth and a straight conduit. At depth, different conduit sizes might lead to the same order of magnitude for the mass flux depending on the conduit geometry. We then apply and discuss our results in the light of field evidences.

Lors d’éruptions explosives, la fraction volumique de gaz est élevée, le magma se fragmente et, le régime d’écoulement passe de laminaire à turbulent dans le conduit volcanique lors de l’ascension du magma, sinon, le magma s’écoule en surface. Les processus de pertes de gaz dépendent de la fracturation du magma, et des études expérimentales récentes ont mesuré des contraintes de rupture seuils de l’ordre de quelques MPa. Il est donc essentiel de modéliser la teneur en gaz et l’évolution des contraintes dans le magma durant son ascension depuis la chambre jusqu’à la surface. Nous présentons un nouveau modèle d’éruption explosive, permettant d’explorer des géométries irrégulières sous le niveau de fragmentation (2D). Nous comparons d’abord le modèle avec les modèles classiques d’éruptions explosives 1D et 1,5D et nous constatons que, dans le cas de conduits droits et d’écoulements fragmentés, les modèles 1D sont suffisamment précis pour modéliser la distribution de la pression de gaz et la vitesse verticale dans le conduit. Cependant, les modèles 2D sont nécessaires dans le cas d’une forme de conduit irrégulière en profondeur. Pour le même rayon de conduit en surface, des champs de contrainte très différents dans l’écoulement peuvent exister, en fonction de la géométrie du conduit. Des contraintes supérieures 1 MPa peuvent être atteintes à certains endroits. Les contraintes de traction élevées sont situées au centre du conduit, tandis que des contraintes de cisaillement élevées se situent au niveau des parois, entraînant potentiellement plusieurs sites privilégiés de rupture du magma. En raison de l’interaction entre le champ de vitesse et le taux de décompression, pour un même rayon de conduit apparent en surface, le niveau de fragmentation peut se situer à des profondeurs variables: jusqu’à 1500 m de différence entre une forme de conduit s’élargissant à une certaine profondeur et un conduit rectiligne. Différentes tailles de conduits en profondeur, peuvent conduire au même ordre de grandeur pour le flux de masse en fonction de la géométrie du conduit. Nous discuterons ensuite nos résultats en les comparant à des évidences de terrain.