Experimental Investigation of Dike Propagation Influenced by Graben Topography and Magma Viscosity Using Analog Modeling
Cette étude utilise la modélisation analogique pour démontrer que la propagation des dikes et l'emplacement des évents volcaniques dans les contextes de graben sont contrôlés par l'interaction entre la viscosité du magma, les champs de contraintes topographiques et la stratification mécanique de la croûte, lesquels déterminent collectivement si les intrusions s'arrêtent, effectuent une transition entre les géométries ou atteignent la surface.
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Les volcans ne sont pas des explosions aléatoires ; ils sont l'expression de surface d'une lutte profonde et pressurisée entre la roche fondue et le sol solide qui la surplombe. Pour comprendre où un volcan pourrait entrer en éruption ensuite, les scientifiques doivent suivre le chemin d'un dike, qui est simplement une fissure remplie de magma poussant son chemin vers le haut depuis un réservoir profond. Le chemin qu'emprunte un dike n'est pas une ligne droite. Il est dicté par les forces qui pressent sur la roche environnante, plus précisément le champ de contraintes, qui change en fonction de la forme du terrain et des couches de roche que le magma rencontre. Si le sol au-dessus est lourd, le magma pousse verticalement. Mais si le sol présente un creux, comme une vallée ou un rift, le poids de la roche est réduit dans cette zone, créant une zone de « déchargement » qui peut attirer le magma latéralement. De plus, le magma lui-même n'est pas une substance uniforme ; il varie d'une lave fluide et rapide à une boue épaisse et visqueuse. Cette différence d'épaisseur, ou viscosité, modifie la façon dont le magma réagit à la contrainte de la roche environnante. Prédire exactement où un volcan ouvrira la bouche est un défi critique pour la sécurité, pourtant l'interaction complexe entre la forme du terrain, les couches de la croûte et la nature du magma est restée difficile à cerner.
Pour démêler ces variables, les chercheurs Khaled Rahimi, Marcus Bursik et Janine L. Kavanagh se sont tournés vers un laboratoire qui imite la croûte terrestre à l'aide d'un matériau simple et transparent : la gélatine. Ils ont choisi le Hat Creek Graben dans le nord-est de la Californie, une longue et profonde vallée formée par l'écartement de la Terre, où différents types de lave ont érupté par le passé, comme guide pour le monde réel. Dans leur laboratoire, ils ont construit un réservoir transparent rempli de couches de gélatine pour représenter la croûte supérieure de la Terre. Ils ont sculpté une dépression longue et étroite dans le haut de la gélatine pour simuler le graben. Ensuite, ils ont injecté des fluides par le bas du réservoir pour agir comme du magma montant. Ils ont utilisé deux fluides distincts : de l'eau pour représenter un magma basaltique fluide, et une solution épaisse et gélatineuse faite de gomme xanthane pour représenter le magma de basaltique-andésite beaucoup plus collant. En observant comment ces fluides se déplaçaient à travers la gélatine, l'équipe pouvait voir exactement comment la forme de la vallée et l'épaisseur du magma modifiaient le chemin vers la surface.
Les expériences ont révélé une différence frappante de comportement basée sur l'épaisseur du fluide. Lorsque les chercheurs ont injecté le fluide mince et aqueux, celui-ci a surgi vers le haut avec rapidité et détermination. Il est monté presque verticalement à travers la gélatine, ignorant presque les changements de contraintes causés par la vallée au-dessus. Lorsqu'il a atteint la surface, il est entré en éruption directement à l'intérieur de la dépression, restant à une courte distance du centre. L'eau se déplaçait trop vite et avec trop d'élan pour être facilement influencée par les forces changeantes de la roche environnante. En revanche, le fluide épais de gomme xanthane se comportait très différemment. À mesure qu'il montait, il ralentissait, laissant le temps à la gélatine environnante d'influencer sa trajectoire. Au lieu de monter droit, le fluide épais a commencé à se courber et à dévier à une profondeur significative, s'incurvant vers les parois abruptes de la vallée. Il a finalement percé à travers le flanc de la paroi de la vallée plutôt qu'au centre, entrant en éruption par l'escarpement de faille. La viscosité du fluide a essentiellement déterminé si le magma ignorait la forme de la vallée ou suivait son attraction.
Les chercheurs ont également exploré ce qui se passe lorsque la croûte n'est pas un bloc de roche unique, mais est composée de différentes couches aux résistances variées. Dans certaines expériences, ils ont créé une limite faible entre une couche inférieure et une couche supérieure de gélatine. Lorsque le magma heurtait ce point faible, il cessait de tenter de monter et se répandait plutôt latéralement, formant une intrusion plate, semblable à une crêpe, appelée sill. Si l'injection se poursuivait, cette feuille plate s'épaissirait et se bomberait vers le haut, créant une structure en forme de champignon appelée laccolite. Curieusement, la présence de la vallée au-dessus influençait ce processus ; le champ de contraintes créé par la vallée encourageait le sill à se transformer en laccolite directement sous la dépression, faisant soulever le fond de la vallée. Cependant, lorsque la limite entre les couches était forte, le magma était capable de percer l'interface et de poursuivre son voyage vers la surface, indépendamment de la stratification.
Enfin, l'équipe a étudié ce qui se passe lorsque deux flux de magma montent en même temps, un scénario courant dans les champs volcaniques où plusieurs fissures s'ouvrent simultanément. Ils ont découvert que les deux colonnes montantes ne s'ignoraient pas. En poussant vers le haut, elles créaient leurs propres zones de pression qui interféraient les unes avec les autres. Dans un cas spécifique, la présence d'une nappe de fluide s'étendant à partir d'une injection a provoqué la déviation de la seconde injection proche, poussée vers l'extérieur par la contrainte de sa voisine. Cette interaction a montré que le chemin d'un seul dike ne dépend pas seulement de la roche au-dessus de lui, mais aussi de la présence d'autres intrusions proches. L'étude suggère que prévoir où un volcan entrera en éruption nécessite une compréhension précise de trois choses : la forme du terrain, les couches mécaniques de la croûte et l'épaisseur du magma. Sans connaître ces trois éléments, prédire l'emplacement exact d'une cheminée reste un puzzle difficile, mais ces expériences fournissent une carte claire de la manière dont ces forces entrent en compétition et coopèrent profondément sous terre.
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