Les dynamismes éruptifs et mécanismes associés en contexte basaltique : étude du Piton de la Fournaise, île de La Réunion, France

Basaltic eruptions are increasingly studied in a lot of active volcanoes around the world. Yet, their pre- and syn-eruptive processes are not fully understood. In order to characterize and understand the set of mechanisms occurring from the shallow magmatic system to the surface, this thesis is focused on the study of the eruptive products of Piton de la Fournaise volcano (La Réunion Island, France), which is one of the most active volcano in the world. Integrated textural and chemical analysis on tephra and lava are performed to identify some key parameters which can be related to major magmatic processes, eruptive dynamics and fragmentation processes. When it is available and relevant, these interpretations are integrated with pre- and syn-eruptive monitoring measurements acquired by ground-based and remote sensing observation systems.The first objective of this integrated study is to gain insight on the magmatic overpressure, conduit and eruptive dynamics during basaltic dyke eruptions. During the June 2014 eruption, eruptive triggers and syn-eruptive transitions from Hawaiian-style to mild Strombolian-style activities, associated with a decreasing of the lava flux, have been related to a second boiling mechanism and a pre-eruptive pressurization which was indirectly evidenced by golden pumice emission (highly vesicular and glassy tephra). On the contrary, the July 2015 eruption (relatively scarce golden pumice emission) was triggered by a shallow magmatic input that was tracked in the textural and chemical features of the eruptive products.On year later, another short-lived eruption occurred on September 2016, which emitted a lot of golden pumice. However, this eruption, dominated by Hawaiian fountaining, behaved atypically with an increase in lava flux associated with uncommon ash emission the last day of the eruptive activity. Thus, the second objective of the thesis is to improve our comprehension on the transition from Hawaiian-style (associated with golden pumice and fluidal scoria) to more explosive activities (associated with dense, crystal-rich opaque scoria and ash emission). The integrated study on this eruption supports the hypothesis that the opaque scoria and ash were inherited from the sub-surface cooling and degassing of the golden pumice material. This suggests the formation of a low-permeable plug, which modulated overpressure pulses at shallow levels and transient explosive activity under the late input of a relatively undegassed and ascending magma. It is commonly accepted that effusive activity represents the main emitted magmatic volume in basaltic shield volcanoes. However, the September 2016 eruption reminded us that basaltic eruptions can sometime produce hazards related to ash-dominated events. Therefore, the third purpose of the thesis is to bring together a comprehensive sampling of tephra from major historical and recent eruptions at Piton de la Fournaise and Karthala (Ngazidja Island, Comoros) volcanoes. The study of these different deposits reveals very different textural characteristics reflecting different fragmentation processes, as ductile fragmentation, brittle fragmentation (triggered by syn-eruptive crystallization of the juvenile magma), interactions between magma and external fluids, high magma ascent velocities and shear-induced fragmentation mechanisms during caldera collapse events.All these insights expose a lot of different magmatic and fragmentation processes which highlight the complexity of the mechanisms driving such basaltic eruptions. This thesis only represent a part of the research possibilities on basaltic eruptions. In the future, many additional laboratory studies and real-time monitoring of the eruptive activity can be performed in order to even better understand and better predict the change in eruptive activity than can represent unexpected threats to the environing populations.Les éruptions basaltiques sont de plus en plus étudiées au sein de nombreux volcans. Cependant, les processus pré- et syn-éruptifs gouvernant ces éruptions ne sont pas entièrement compris. Dans le but de caractériser et comprendre l’ensemble des mécanismes opérant depuis le système magmatique superficiel jusqu’à la surface, cette thèse est principalement axée sur l'étude des produits éruptifs du Piton de la Fournaise (île de la Réunion, France), qui est l'un des volcans les plus actifs au monde. Des analyses texturales et géochimiques sur les pyroclastes et les laves sont conjointement réalisées dans le but d’identifier des paramètres clés pouvant être reliés à des processus magmatiques majeurs, à des dynamiques éruptives et à des mécanismes de fragmentation. Lorsque cela est pertinent, ces interprétations sont intégrées à des données de surveillance pré- et syn-éruptives acquises au sol ou par télédétection.Le premier objectif de cette étude intégrée est de mieux comprendre les mécanismes à l’origine des surpressions magmatiques et des dynamiques éruptives lors des éruptions récentes du Piton de la Fournaise. Au cours de l’éruption de Juin 2014, les déclenchements éruptifs ainsi que les transitions syn-éruptives d’un régime hawaiien vers un régime strombolien relativement faible, associés à une diminution du flux lavique, ont été liés à une vésiculation et à une surpression pré-éruptive du magma qui furent indirectement mises en évidence par l’émission de pyroclastes de type golden pumice (pyroclastes très vésiculés et vitreux). Au contraire, l’éruption de Juillet 2015 (émission de golden pumice relativement rare) a été déclenchée par un apport magmatique superficiel qui a pu être identifié au sein des signatures texturales et géochimiques des produits éruptifs.Un an plus tard, une autre éruption de courte durée s'est produite en Septembre 2016, produisant beaucoup de pyroclastes de type golden pumice. Cependant, cette éruption dominée par des fontaines de lave, se comporta de manière atypique et fut associée à une augmentation du flux lavique et d’une émission inhabituelle de cendres lors du dernier jour de l’activité éruptive. Le deuxième objectif de la thèse est donc d’améliorer nos connaissances sur la transition d’une activité hawaiienne (associée à l’émission de pyroclastes de type golden pumice et fluidal scoria) vers une activité plus explosive associée à l’émission de scories et de cendres relativement denses et riches en cristaux, de type transitional et opaque. Les analyses texturales et chimiques des produits éruptifs confirment l'hypothèse selon laquelle ces scories et cendres denses sont issues du refroidissement et du dégazage à pression ambiante du magma initialement vésiculé et peu cristallisé. Il est donc possible de former un bouchon faiblement perméable, provoquant des impulsions magmatiques pressurisées à faible profondeur et une activité explosive transitoire sous l’influence et la remontée tardive d’un magma relativement peu dégazé. Il est communément admis que l’activité effusive représente la majorité du volume magmatique émis au sein des volcans boucliers basaltiques. Cependant, l’éruption de Septembre 2016 a montré que les éruptions basaltiques peuvent parfois produire des aléas liés à des émissions de cendres non-négligeables. Par conséquent, le troisième but de la thèse est de rassembler une série d’échantillons correspondant aux principales éruptions historiques et récentes des volcans du Piton de la Fournaise et du Karthala (île de Ngazidja, Comores). L’étude de ces différents dépôts cendreux révèle des caractéristiques texturales très différentes suggérant différents processus de fragmentation, à savoir la fragmentation ductile, la fragmentation fragile (provoqué par la cristallisation syn-éruptive du magma juvénile), des interactions entre le magma et des fluides externes, des vitesses de remontée magmatiques élevées ou encore la fragmentation par cisaillement pendant l’effondrement de calderas.Toutes ces connaissances exposent de nombreux processus magmatiques et de fragmentation qui mettent en évidence la complexité des mécanismes à l'origine de telles éruptions basaltiques. Ces travaux de thèse ne représentent qu’une partie des possibilités de recherche sur les éruptions basaltiques. Dans le futur, de nombreuses études de laboratoire supplémentaires et de surveillance de l’activité en temps-réel pourront être réalisées pour encore mieux comprendre et mieux prévoir l'évolution de l’activité éruptive en surface qui peut présenter des risques inattendus pour les populations environnantes