Déformation crustale à Ambrym (Vanuatu) imagée par la géodésie spatiale : contraintes sur le stockage, la migration de magma et le dégazage

Basaltic caldera-rift systems provide unique opportunities to study a range of volcanic processes, including lateral magma transport, caldera collapse, and magma replenishment. Some of the largest basaltic calderas in the world, however, are located in dangerous or difficult- to-access regions. In such regions, remote sensing measurements of ground deformation, degassing, and thermal anomalies offer alternative means to assess volcanic activity. Ambrym, an exceptionally active, basaltic volcanic island in Vanuatu has undergone numerous episodes of ground deformation over the past 20 years. Since 2015, two eruptions have occurred within its 12 km wide caldera. The first event, a moderate-sized eruption in February 2015, occurred after more than 15 years of persistent degassing and lava lake activity, punctuated by intervals of quiescence. It activated a portion of the caldera-ring fault and drained a reservoir located ∼4.1 km depth b.s.l. The most recent event, which occurred in December 2018, was significantly larger. This event drained the main craters’ lava lakes and intruded >0.4 km3 of magma into the SE rift zone. The dike travelled more than 20 km away from the main craters, and had an opening of >4 m at depth. Magma drainage from a central storage region caused widespread caldera subsidence and ring-fault activation, and resulted in the eruption of basaltic pumice offshore. These two events confirm that Ambrym’s caldera ring-faults are active structures. Ring- fault reactivation may contribute to continued deepening of Ambrym’s large caldera, whose formation mechanism is contested. Some authors [Robin et al., 1993] propose that caldera ring-faults were formed by an initial Plinian eruption and subsequent phreatomagmatic eruptions. Ring-fault activation detected with Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) allows us to hypothesize that hundreds of moderate- to- large sized dike intrusions may contribute to further deepening of the caldera by draining magma from one of Ambrym’s numerous magma lenses. Separate from these main eruptive events, we document two inter-eruptive episodes of fast subsidence measured with InSAR (2004 – 2007 and 2015 – 2017, ∼10 cm year-1). Neither of these time periods are associated with recorded eruptions. Inter-eruptive subsidence is challenging to interpret without additional constraints. Using the understanding gleaned from the 2015 and 2018 eruptions, we investigate possible physical mechanisms explaining these deformation signals. We conclude that the 2004 – 2007 episode is most likely due to a dike intrusion accompanied by depressurization of the shallow sill hydraulically connected to the lava lakes. This interpretation is drawn from the joint analysis of ground deformation, SO2 gas emissions, and thermal anomalies. We then hypothesize that the 2015 – 2017 subsidence episode may be due to degassing-induced depressurization of a large (>10 km3) magmatic reservoir, using a theoretical model developed by Girona et al. [2014] to couple degassing and reservoir depressurization.To investigate the role played by replenishment of the system, two periods of uplift have been identified. Variations in thermal anomalies and SO2 degassing complement displacement measurements, allowing for more robust interpretations of the volcanic deformation episodes. At Ambrym, uplift during replenishment may be limited to time periods when the system is closed, such as after lava lake drainage in 2019 – 2020 and perhaps in 2007 – 2010, following the previously unreported diking event in 2005. Remote sensing data has allowed us to analyse the activity of Ambrym volcano over the past two decades. By comparing Ambrym’s unrest with that of other calderas (Kīlauea, Bárðarbunga, Sierra Negra, etc.), the results obtained in this dissertation can further our understanding of basaltic caldera-rift systems and their underlying magmatic plumbing systems.Les systèmes volcaniques rift-caldera basaltiques fournissent les conditions propices à l’étude de plusieurs processus volcaniques, comme le transport de magma, les effondrements de caldera et le remplissage magmatique. Certaines des plus grandes calderas dans le monde, cependant, sont situées dans des régions isolées dont l’accès peut être dangereux ou logistiquement complexe. La télédétection des déformations du sol, du dégazage et des anomalies thermiques, offre une alternative pour y suivre l’activité volcanique. Ambrym, une île volcanique du Vanuatu isolée mais très active, a subi de nombreux épisodes de déformation du sol au cours des 20 dernières années. Depuis 2015, deux éruptions ont eu lieu à l’intérieur de sa caldera de 12 km de diamètre. La première éruption a eu lieu après 15 ans de dégazage passif et d’activité des lacs de lave. L’éruption la plus récente, en décembre 2018, a vidangé les lacs de lave des cratères sommitaux, provoquant l’intrusion d’un volume >0.4 km3 dans la zone de rift sud-est. Le dike engendré a parcouru une distance de plus de 20 km, et s’est ouvert de plus de 4 mètres en profondeur. La vidange du magma a produit une subsidence de la caldera à grande échelle, associée à une activation des failles bordant la caldera, et a alimenté une éruption sous-marine de ponces basaltiques. Une éruption plus modeste a eu lieu en février 2015, activant également une portion de la caldera, et extrayant du magma depuis une chambre située à une profondeur de ∼4.1 km. Ces deux événements confirment que les failles bordières de la caldera d’Ambrym sont des structures actives. L’activité de ces failles contribue à la topographie de la caldera d’Ambrym, dont le mécanisme de formation est discuté (éruption Plinienne initiale à 2ka, suivie d’éruptions phréatomagmatiques). La détection d’une activation des failles de caldera par la géodésie spatiale nous permet de formuler l’hypothèse que des centaines d’intrusions de tailles modérées à grandes peuvent contribuer à un approfondissement de la caldera, en drainant le magma stocké temporairement sous la caldera d’Ambrym. Outre ces deux événements éruptifs majeurs, nous mettons en évidence deux épisodes (2004–2007, 2015–2017) de subsidence rapide (∼10 cm an-1), mesurés par InSAR. Aucune de ces deux périodes n’est associée à une éruption répertoriée. A partir des informations glanées au cours des éruptions de 2015 et 2018 (e.g., la profondeur des zones de stockage, le volume des intrusions, la relation entre l’activité éruptive et les lacs de lave), nous explorons les mécanismes physiques pouvant expliquer cette subsidence inter-éruptive. L’épisode de 2004–2007 est probablement associé à une intrusion de dike (en l’absence d’éruption), engendrant la dépressurisation d’un sill superficiel, hydrauliquement connecté aux lacs de lave. A partir d’un modèle théorique proposé par Girona et al, 2014, en couplant le dégazage passif (mesuré par spectroscopie satellitaire) et la dépressurisation du réservoir magmatique (déduite de la géodésie spatiale), nous proposons que l’épisode de 2015–2017 ait pour origine la dépressurisation d’un réservoir magmatique de grande taille (>10 km3). Par contraste, de courtes périodes de soulèvement pourraient être limité aux périodes de temps pendant lesquelles le système est fermé, par exemple en 2019–2020 après l’épisode de vidange des lacs de lave en 2018, et potentiellement en 2007–2010 à la suite d’un événement d’intrusion non répertorié en 2005. En comparant les phases de regain d’activité d’Ambrym avec celles observées dans les autres systèmes rift-caldera basaltiques (Kīlauea, Bárðarbunga, Sierra Negra, etc.), les résultats obtenus dans cette dissertation permettent de mieux comprendre l’activité des lacs de lave, le développement de la caldera, les processus de déformation induits par le dégazage, le remplissage magmatique, et la géométrie et le fonctionnement des systèmes rift-caldera basaltiques