Article
Reference
Anomalies de polarisation spontanée et systèmes convectifs sur le volcan du Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion, France) = Self-potential anomalies and convective systems on la Fournaise
volcano (Reunion island, France)
ZLOTNICKI, Jacques, MICHEL, Sylvie, ANNEN, Catherine
Abstract
Le Piton de la Fournaise (océan lndien) est un volcan basaltique culminant à 2530 m d'altitude. Les éruptions sont fissurales. 95 % d'entre elles restent circonscrites à l'intérieur de l'Enclos Fouqué. La cartographie de polarisation spontanée de l'Enclos Fouqué a été réalisée au cours des mois de juillet-août 1992 et 1993, totalisant quelque 70 km de profils. Le cône central est le siège d'une vaste anomalie positive relative dont le maximum dépasse 1850 mV. cette anomalie suggère d'importantes circulations hydrothermales créées par la présence d'un complexe magmatique situé à une profondeur d'au moins 2 km. Une seconde anomalie positive en forme de fer à cheval ouvert à l'Est délimite la zone de fractures majeures qui scinde l'édifice volcanique de St. Philippe à Ste Rose. Cette zone sert d'exutoire aux circulations de fluides venant du cône. L'anomalie maximale couvre le SE du cratère Dolomieu, zone où la majorité des dernières éruptions se sont produites (1990, 1991, 1992).
Cette zone anormale s'est largement développée depuis 1981, mettant en exergue un nouvel axe de faiblesse [...]
ZLOTNICKI, Jacques, MICHEL, Sylvie, ANNEN, Catherine. Anomalies de polarisation spontanée et systèmes convectifs sur le volcan du Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion, France) = Self-potential anomalies and convective systems on la Fournaise volcano (Reunion island, France). Comptes rendus de l'Academie des sciences. II, Mécanique, physique, chimie, sciences de l'univers, sciences de la terre , 1994, vol. 318, p. 1325-1331
Available at:
http://archive-ouverte.unige.ch/unige:153963
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Anomalies de polarisation spontanég rltystèmes convectifs sur ie volcan du Piton de la Fournaise
(lle de la Réunion, France)
cÉopHvsteuvcEoPHYslcs
C.R. Acad. Sci. Paris,
t.
318, sériell, p.
1325à
1331, 1994J. Z.: Laboratoire de GéoPhYsique d'Orléans, EP CNRS,
3, avenue de la Recherche Scienti{ique, 45071 Orléans Cedex 2, France;
J. Z. et S. M.: Laboratoire de Géomagnétisme,
UA 729, IPGP, DéPartement des Observatoires Volcanologiques, B 89, Tour 24, 4 Place lussieu, 75252 Patis Cedex 05, France;
C. A.: Laboratoire de Minéralogie, '13, rue des Maraîchers,
1211 Genève 4, Suisse.
*
Résumé
Jacques Zlotnicki, Sylvie Michel et Catherine Annen
Le Piton de la Fournaise (océan lndien) est un volcan basaltique culminant à 2530m d',altitude' Les éruptions sont fissurales. 95 % d'entre elles restent circonscrites à l'intérieur de l'Enclos Fouqué' La cartographie de polarisation spontanée de I'Enclos Fouqué a été réalisée au cours des mois de iuillet- août lgg2etlgg3,totalisantquelqueT0kmdeprofils.Lecônecentral estlesièged'unevasteanomalie positive relative dont le maximum dépasse I 850 mV. cette anomalie suggère d'importantes circulations hydrothermales créées par la présence d'un complexe magmatique situé à une profondeur d'au moins 2 km. une seconde anomalie positive en forme de fer à cheval ouvert à l'Est délimite la zone de frac- tures majeures qui scinde l'édifice volcanique de st. Philippe à ste Rose. cette zone sert d'exutoire aux circulations de fluides venant du cône. L'anomalie maximale couvre le SE du cratère Dolomieu' zone où la majorité des dernières éruptions se sont produites (1990, 1991, 1992). Cette zone anormale s'est largement développée depuis 1981, mettant en exergue un nouvel axe de faiblesse mécanique et des circulations privilégiées de fluides d'orientation N 130o. une anomalie positive d'une amplitude supé- rieure à 1 250 mV a pris naissancce dans l'axe de fissures non émissives, au cours de la crise éruptive du 27 août 1992. Cette anomalie avait disparu 2 mois après le début de l'éruption.
Mots.clés : anomalies de polarisation spontanée, circulations hydrothermales, structure et dynamisme' lle de la Réunion, France.
Abstract
Self-potential anomalies and convective
systemson lâ Fournaise volcano (Reunion island,
France)piton de la Fournaise,2,630m high, is a basalticvolcano located in the lndian ocean' The Self-Poten- tial map of Enclos Fouqué was determined in 1992 and 1993 with about 70 km of profiles' The cone
is the seat of a huge positive anomaly whose amplitude is more than 1,850 mV. During the last l0years an sp anomaly has developed on a N 130o direction indicating a new fracture zone' A large positive horseshoe-shaped anomaly is superimposed on the \lBe ahomaly associated with the cone' The shape and the amplitude of the SP anomalies suggest thatihe source, the magmatic complex, is at least at 2km depth beneath the summit. lnside the cone hydrothermal ascendant circulations are trapped by the fractures due to dyke migration and are progressively channelled along radial and concentric faults to the summit. The horseshoe-shaped positive anomaly is the electric signature of reheated fluid cir- culations escaping from Enclos Fouqué to the lndian Ocean through the main fracture zone' The profile around Bory and Dolomieu craters has been made three times embracing one summital eruption' A local 1,250mV, 150m wide, anomaly has been observed in the axis of dry fissures and disappeared 2 months later.
Keywords:self potential anomalies, hydrothermal circulations, structure and dynamism, Reunion lsland. France.
t
Ç'l'.."-t;r'+à
"rii.
-4'"\
6.Ide
\.aprésentée Par lean-Louis Le Mouë|.
remise le 10 février 1994, acceptée le 16 mars 1994.
Note
J. Zlotnicki et aL Anomalies et systèmes convectifs sur le volcan du Piton de la Fournaise
sffi
Ahridged English Vercion
INTRODUCTION
ffl
HE self-potential method was first usedI
in geothermal fields to evidence anom-r-
alous thermal zones (Zablocki, 1976;Corwin and Hoover, 1979). The technique was then applied to volcanoes where several mech- anisms can contribute to generate SP anom- alies (Zablocki, 1976; Nishida and Tomiya, 1987): thermoelectric, electrochemical and electrokinetic effects.
On
most volcanoes, electrokinetic effects associated with circula- tion of fluids forced by a pore pressure gradi- ent through interconnected porous media are the dominant effects by an order of magnitude (Massenet and Pham, 1965). 70 km of profiles inside Enclos Fouqué caldeira have been made with a sampling rate of 50m
(figurel).
Posi-tioning was secured every 300m by a GPS re-
ceiver. The internal
impedanceof
thevoltmeter was 100
or
l,(100Mf)
and probes were in Pb-PbClt. Drift between probes survey never exceeded 3mV and the maximum error at the points was 20 mV.RESUTTS
The potential reference R was taken
in
amechanically stable and inactive part of the vol- cano (figure 2). A huge relative positive anom- aly, 4km
in
diameter, spread above the ter- minal cone. On the rims of Bory and Dolomieu craters the mean SP level is 1,500 mV on which two localized anomalies are superimposed.The larger but smoother one is centred on Bory crater (1,500m
X
?50m) with aN
30, direction and the second one (750 m X 500 m, 1,850mV) is lag on the south€asrern part of Dolomieu craterin a N
l30e direction (fi-gure 2). Superimposed on ro rhis huge positive anomaly a horsehoe shaped positive anomaly is bending towards. Osmondes plain
to
the north, and towards Piton de Bois Vert to the south. To the north of the cone the channelleil positive SP anomaly is clearly delimited onis
flanks by two negative anomalies. To the south ttre anomaly is diffuse and spreads all over the south sector. Oubide Enclos Fouqué caldeira along the Langevin river (Fitterman, 1983),
to
wardsPiton
Ste Roseto the
north-east(Zlotnicki et aL,1993), and near Baril area on
the south (Aubert a a1.,1993) only negative SP anomalies are observed and are associated with ground gravific water circulations. Figures 3 a
and 3 D present two slices
of
SP anomalies through Enclos Fouqué. AB slice corresponds to the new important axis of SP anomaly witha N 130e direction. The symmetrical CDE slice follows on the north flank cone the crest of the positive anomaly (N 25'Q). For both profiles a mean topographic effectof -1.9mV (Lénat, 1987) has been removed to point out the huge well described positive anomaly associated
to
theDtscussroN
La Fournaise volcano is the seat of large annual rainfalls (between 9 and 12 m). By gra- vity effect meteoric water infiltrates through porous lala and flows from watertight beds to other ones
till
outspringsin
valleyn walls en- tailed by rivers (Rempart, Est, Langevin) ortill
submarine outrrops (Gourgand and Srieljes, 1988; Coudray et al.,1990; Auber et a1.,1993;Zlotnicki et aL, 1993). This simple pattern of underground water circulations through the massif is drastically modified by the major frac- ture zone and by radial and tangential fractures which catch the main part of the
infilrating
waters. The high annual rainfall, the existence of a superficial magmatic complex and the am- plitude of SP anomalies suggest an interpreta- tion based on electrokinetic effects. Meteoric water easily infiltrates inside porous lava and
through
openedfractures.
Progressively reheated, water circulations give rise to large convective hydrothermal cells. The cone is mainly submittedto
upwardsfluid
motions through radial and tangential fractures which lie up to the rims of Bory and Dolomieu. On to this first convective cell is superimposed a large hydrothermal cell which is channelled bythe main
horseshoe-shaped fracture zone which cut the whole massif (BachéIery,l98l),
and a new cell which is actually developing in the N l30q due to the last eruptions which have involved the south-eastern
rim of
Dolomieu crater. Taking into account the width of the SP anomalies one can estimate the magmatic com- plex, at least, at a depth of 2 km.The SP cartography also gives an order of
1326
Anomalies et convectifs sur le volcan du Piton de la Fournaise J. Zlotnicki et aL
!
?.fiAI
1s!5magnitude of time constant of SP anomalies.
The south-east, N 130'g, Dolomieu anomaly ap peared in less than 10 years. The 1977 north- east dyke showed an amplitude of 2,000 mV in 1981 (Lénat, 1987) and about 300mVin 1992'
indicating a decrease ofabout 80% in 15 years.
lastly a dry
fisure
(August 27 , 1992 eruption) created a local but large anomaly (l'500mV,150 m) which disappeared a few months later (figure 4).
INTRODIJCTION
Une
cartographie depolarisation
sponta- née représenteune
imagedu potentiel
élec-trique
mesuré àpartir d'un
mêmepoint
de référence,donc défini
àune
constante près.Les premières
utilisations
des mesures de PSont
été faites dansle
cadrede
prospectionsgéothermiques (Zablocki,
1976;Corwin
andHoover, 1979); puis
ellesfurent
étendues àde nombreux volcans (Zablocki, 1976; Nis hida and Tomiya,
1987).Sur ceux<i, la cir- culation de fluides, provoquée par un
gra-dient de
pressionà
traversune matrice
pG' reuse connectée, est le mécanisme prépondé-rant
(Massenet et Pham, 1985).Plus de
70km
deprofils ont
été réalisés àI'intérieur de I'Enclos Fouqué
avecun
pasd'échantillonnage
moyen de50m (figure
1).La localisation
horizontale
despoints
de me- suresétait
assurée tous les300m par un
ré-cepteur GPS (Global Positionning
System)avec une
erïeur
moyenne de 25m.L'altitude était contrôlée par deux altimètres' La
me- sure des différences depotentiel
se faisait aumoyen d'un multimètre dont I'impédance d'entrée était de
100ou 1000MO
suivantla
gammede
mesure. Les électrodesimpolari-
sables utilisées étaient en Pb-PbClr. La dériveentre
les électrodesn'a
pas excédé3mV.
Laforte
résistance de contact a souvent imposéd'humidifier légèrement le sol. La
stabilitédes mesures
a été vérifrée plusieurs fois
lelong d'un
mêmeprofil et aux points de
re-couwement. La différence maximale
mesu-rée aux points de recouvrement était
de 20mV.RÉSULTATS
La référence de
potentiel
R a été choisie dansla partie
ouest,mécaniquement
stable et sans activité de I'Enclos Fouqué(figure
2).Une
forte
anomalie positive (diamètre moyen4km) est centrée sur le cône terminal'
De 200mV,
àla
base ouest,le potentiel atteint une amplitude
moyennede 1500mV
sur lespourtours
des cratères Bory etDolomieu.
Su- perposéesà ce niveau moyen, on
observedeux
anomalies.De plus grande
extension(1500m X 750m), I'anomalie
centrée sur lecratère Bory s'allonge
suivantun axe
sensi-blement N
30e.La
secondeanomalie, de di- mension plus restreinte (750m X 500m), présente une amplitude qui dépasse
1850mV.
Cettedernière anomalie s'étend
àI'intérieur du
cratèreDolomieu,
traverse ce-lui-ci
sur sabordure $SE et recourre le
cra-tère Maillard. Cette anomalie
PSreflète la progression de I'activité volcanique de
ces dernières années. Depuis 1985,Ieséruptions
dans leDolomieu
ont ouvert des fissures dans sapartie ouest (29 novembre
1985,12 no
vembre
1986), dans sa partie SE (marsetjuil- Iet
1986,25 novembre
1986,janvier
1987,juin
1987),puis
au travers de saparoi
SE-etion bord externe fanvier 1990,juillet
1991,août 1992). Il faut aussi souligner
quela trace de zones fumerolliennes reste
encore visible
le long de cet
axeN
130s(fi-
gures 2 et3a).
A la
forte
anomalie positive centrée sur le cône se superposeune anomalie
positive enarc de
cercle.Au Nord du
cône,I'anomalie
positive s'étend vers laplaine
des Osmondes.Ce chenal nord est entaillé par deux
ano-malies locales créées I'une par la
fissured'awil
1977dont l'amplitude atteint
encore300mV, et I'autre Par l'éruPtion de
mai
1988.Au
Suddu
cône,I'anomalie
posi- tive est plus diffuse.Elle
semblebuter contre
laparoi
de la caldeira aux alentours dePiton
de BoisVert.
Deux
coupesillustrent les
anomalies PS(figore
3 a etb). La
coupeAB, de direction
N
130e, est dansI'alignement
des fortes ano-J. Zlotnicki et a/. Anomalies et systèmes convectifs sur le volcan du Piton de la Fournaise
Figure
I
Carte schématique du Piton de Ia Fournaise. Principales failles et trace de la zone de fractures principales.ffi
Schematic map of La Fournaise Volcano. Main faults and trace of weakness axis.
t
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@
DEf:
GRATEREFOURCHE RAVINE
BASSE.VAI.I.EE
ii:.liiit : CRAIERE Dotolsl Eu
malies
positivesqui se développent
depuis quelques années. La coupe CDE suit laligne
des anomalies maximales surle flanc NE du
volcan (partie CD), tandisqu'elle
resre àI km environ
àl'Ouest
surle flanc
SE.Le
chenal suivi par I'anomalie positive est donc dissymé- trique parrapport
au sommet. Poursouligner
la puissance des anomalies PS, les valeurs sontcorrigées d'un ffit
topographiquemoyen
de-1,9mV/m (Lênat,1987).
Lesdeux
coupesmontrent
une anomalie positive à flancs sub- verticaux. Cette anomalie vient seconfrondre au sommet du volcan avec les fractures
concentriquesqui
enserrent les cratères Bory etDolomieu
(isovaleur1500mD.
A l'extérieur
de I'Enclos Fouqué,le long
de la rivièreLangevin (Fitterman,
1982), per-pendiculairement
à la zone de fractures versPiton
Ste Rose(Zlotnicki
et a1.,1993), et dansla région du Baril (Aubert
etaL,1993),les
anomaliesde polarisation
spontanée corres.pondent à des infiltrations d'eaux
météo- riquesou
à des écoulements souterrains sub-horizontaux
à travers desmilieux
perméables (laves scoriacées, laves aa, pyroclastitesnon
argilisées).Dtscussr0N
Le
Piton
de la Fournaise est le sièged'im-
portantesprécipitations
annuelles.L'eau
mé- téoriques'infiltre
rapidement àI'intérieur du
massif, traverse des terrains hétérogènes, stra-tifiés et subhorizontaux, rencontre des
ho-1328
Anomalies et convectifs sur le volcan du Piton de la Fournaise J. Zlotnicki et ar.
MV
1 800
1704
16001 500 14001300 1200
1 100 1000 900 800
700
600 500 400 300200
100 -'1000 -200 -300-400-500 -600 -700
-800-900
-1 000
rizons
imperméables
(coulées massives, cen- dres, scories argilisées) etforme
de petits ré- servoirs se déversanten
aval dans des strates perméablles. Cescirculations
gravitaires en cascade,soit
resurgissententre deux
strates imperméables dans les parois creusées par lesrivières
(Remparts, Langevin,Est), soit
don-nent
naissanceà d'importantes
résurgencessous-marines (Gourgand et Stieljes,
1988;Coudray et
a1.,1990;Aubert
eta1.,1993;Zlot- nicki
staL,1993).
Ce schéma simple de drai- nage estfortement perturbé par la
présencede
nombreuseshétérogénéités
structurales' Les fractures au voisinagedu
sommet favori-sent
une percolation rapide
àl'aplomb
des deux cratères. Sur les flancs du cône, les frac- tures radiales accentuentun drainage
cana- lisé versla zone de
fractures principales. La cartographie PSmontre clairement
des ano- malies constituées de plusieurs composantes:- Une
anomalieliée
aucône'
Cette puis-sante
anomalie
positive,d'environ 4km
à sabase, se
rétrécit
au sommetpour
calquer lesfractures concentriques sommitales et
lesparois des cratères.
- Une
anomalie positiveincurvée qui
nesuit
pasla
traceN
10s-N 170nde la
zone defractures principales. Au Nord du
sommet,Figure 2 Carte d'anomalies PS de l'Enclos Fouqué et profils effectués.
Self-Potential anomalies in Enclos Fouqué and associated surveys.
J. Zlotnicki ef al. Anomalies et systèmes convectifs sur le volcan du Piton de la Fournaise
Figure 3 a: Coupe AB d'axe N 130o. b: Coupe CDE d'axe N 25"-N
1 55". Courbes des potentiels mesurés et corrigés d'un effet topographique moyen (-1,9 mV/m, Lenat, 1987). Altitude le long des coupes.
ffi
a: AB slice of N 130o axis. b: CDE slice of N 25o-N 1 55o axis. Curves of raw potential values and of values corrected of a mean topographic effect (-1,9 mV/m, Lenat, 1987).
Altitude along the surveys.
Figure 4a: Profil PS du 6 août 1992 des cratères Bory et Dolomieu. b: Anomalie PS engendrée par l'éruption du 27
août 1992.
ffi
a: August 6, 1992, SP survey around Bory and Dolomieu crater.
b: Anomaly generated by August 27,
1 992, eruption.
1330
0 1 000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000
0 1 000 2000 3000 4000 5000 6000 7oo0 8o0o 9o0o
1 000 3000 4000
circulation
de fluides plusimportante
et plus étendue.- Une anomalie positive d'axe N
130s.Cette anomalie s'est développée en plusieurs années, dans la
direction
de frachrres préexis- tantes et de zonesfumerolliennes.
La forte pluviométrie, la
présenced'un complexe magmatique superficiel, l'hétéro- généité structurale et I'amplitude des
ano- malies PSprivilégient I'hypothèse d'un
mo-dèle basé sur les effets électrocinétiques.
L'eau météorique
est canaliséepar
les frac- tures ouverteslors
dela migration
des dykes vers la surface. Réchauffée enprofondeur par la
présenced'un complexe
magmatique, lescirculations de fluides donnent
naissance àde
puissantescellules de convection
hydro-thermales. La signature des anomalies
PSdonne
à penser quele cône terminal
est es-sentiellement le
siègede circulations
ascen- dantes lelong
des fractures concentriques et radiales. A cette cellule simple se superposentdeux
autres cellules convectives ascendantes.La cellule principale a une forme de fer
àcheval, est décentrée au Sud
du
cône,et
re- présente leprincipal
chenal d'évacuation des fluides enprofondeur.
La seconde cellule est cellequi
se propage de manière encorelimi- tée vers le
SEdu cratère Dolomieu et qui pourrait
être la signatured'un
nouvel axe de faiblessemécanique du massif (N
130q). SiI'on admet que I'anomalie
PSdirectement
liée aux circulations hydrothermales à traversle
cône selimite
au cônelui-même, on peut
supposer que les bords externes de I'anoma-lie sont
crééspar le complexe
magmatique(zone hachurée, figure 3a). En première approximation, on peut estimer la profon- deur du complexe magmatique à au
moins2km. La cartographie
réaliséeen
1992et
1993apporte
des renseignementssur l'évolution temporelle
des anomalies PS.La
géométrieet I'amplitude
des zones anormales peuvent évoluer àl'échelle
dela
dizaine d'annéesou moins, comme le montre le
développement de I'axeN
130s.A l'échelle
deséruptions fis
surales, des anomalies locales de
forte ampli- tude peuvent être
engendrées.Ainsi, I'ano- malie
associée àl'éruption d'awil \977,
car-tographiée en
1981par Lénat (1987),
avait3000 2500 2000 I 500
1 000
500 0 -500 -t 000
3000 2500 2000 1 500
1 000
500 0 -500
-1 000
9000 2500 2000 t500
't 000 500 0 -500 -t 000
l'anomalie
passed'une direction N
30e à unedirection N
40'q-N 50q.Au Sud, I'axe
est N200'gjusqu'au plancher
de la caldeira, puis s'incurye dansla direction N
170'g.L'anoma- lie
PS surle flanc nord
estd'extension
laté-rale restreinte. Au Sud, I'anomalie
positives'étend
danstout le
secteur sud. Ce résultatest peut€tre à mettre en relation
avec leséruptions deux fois plus fréquentes au
Sud du cône qu'auNord
etqui permettraient
unemV m
E
t0rr
t\
i
,5) m
251
c
mV
mV
alors une amplitude de 2000mV. En
1992,son amplitude n'était que de 300mV.
Des anomalies PS defaible
extensionet
deforte amplitude peuvent
aussiexister
temporaire-ment à I'aplomb de
fissuresnon
émissives, commele montre le profil entourant
les cra-tères Bory et Dolomieu, réalisé les 6 et
28août
1992et en octobre
1992(figure
a).Le 27 aait une éruption
seproduit sur
leflanc
suddu
cône, accompagnée deI'ouver- ture
de fissures sèches àI'extérieur du Dolo- mieu. Le lendemain de l'éruption, on ob'
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Anomalies et convectifs sur le volcân du Piton de la Fournaise J. Zlotnicki ef ar.
serve
une
anomaliede 1250mV
surune
lar- geur supérieure à 150m. Cette anomalie avait disparudeux
mois Plus tard.La cartographie de polarisation
sPonta- née et les évolutions temporelles renseignentsur les circulations hydrothermales dans
le massif et sur les chenaux qu'ellesempruntent en profondeur. Elle
souligne les principaleshétérogénéités
structurales.Elle donne
desindications sur le complexe magmatique et
met enlumière l'évolution
del'activité
volca-nique
àl'échelle
de quelques années.LENAT, J. F., 1987. Structure et dynamique internes d'un volcan basaltique intraPlaque océanique: le Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion)
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