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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, série ll,p. 1325 à 1331,1994

J. Z.: Laboratoire de GéoPhYsiqued'Orléans, EP CNRS,

3, avenue de la Recherche Scienti{ique,45071 Orléans Cedex 2, France;

J. Z. et S. M.: Laboratoire deGéomagnétisme,UA 729, IPGP, DéPartement desObservatoires 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 \.a

présentée Parlean-Louis Le Mouë|.remise le 10 février 1994,acceptée le 16 mars 1994.

Note

13251250-8050/94103181325. $ 2.00 @ Académie des Sciences

J. Zlotnicki et aL Anomalies et systèmes convectifs sur le volcan du Piton de la Fournaise

sffiAhridgedEnglishVercion

INTRODUCTION

ffl HE self-potential method was first used

I in geothermal fields to evidence anom-r- alous thermal zones (Zablocki, 1976;

Corwin and Hoover, 1979). The technique wasthen applied to volcanoes where several mech-anisms can contribute to generate SP anom-alies (Zablocki, 1976; Nishida and Tomiya,1987): thermoelectric, electrochemical andelectrokinetic effects. On most volcanoes,electrokinetic effects associated with circula-tion of fluids forced by a pore pressure gradi-ent through interconnected porous media arethe dominant effects by an order of magnitude(Massenet and Pham, 1965). 70 km of profilesinside Enclos Fouqué caldeira have been madewith a sampling rate of 50 m (figure l). Posi-tioning was secured every 300m by a GPS re-ceiver. The internal impedance of thevoltmeter was 100 or l,(100 Mf) and probeswere in Pb-PbClt. Drift between probes surveynever exceeded 3mV and the maximum errorat 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 Dolomieucraters the mean SP level is 1,500 mV on whichtwo localized anomalies are superimposed.The larger but smoother one is centred onBory crater (1,500m X ?50m) with a N 30,direction and the second one (750 m X 500 m,1,850mV) is lag on the south€asrern part ofDolomieu crater in a N l30e direction (fi-gure 2). Superimposed on ro rhis huge positiveanomaly a horsehoe shaped positive anomalyis bending towards. Osmondes plain to thenorth, and towards Piton de Bois Vert to thesouth. To the north of the cone the channelleilpositive SP anomaly is clearly delimited on isflanks by two negative anomalies. To the southttre anomaly is diffuse and spreads all over thesouth sector. Oubide Enclos Fouqué caldeiraalong the Langevin river (Fitterman, 1983), towards Piton Ste Rose to 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 withground gravific water circulations. Figures 3 aand 3 D present two slices of SP anomaliesthrough Enclos Fouqué. AB slice correspondsto the new important axis of SP anomaly witha N 130e direction. The symmetrical CDE slicefollows on the north flank cone the crest of thepositive anomaly (N 25'Q). For both profiles amean topographic effectof -1.9mV (Lénat, 1987)has been removed to point out the huge welldescribed positive anomaly associated to the

DtscussroN

La Fournaise volcano is the seat of largeannual rainfalls (between 9 and 12 m). By gra-vity effect meteoric water infiltrates throughporous lala and flows from watertight beds toother ones till outsprings in valleyn walls en-tailed by rivers (Rempart, Est, Langevin) or tillsubmarine outrrops (Gourgand and Srieljes,1988; Coudray et al.,1990; Auber et a1.,1993;Zlotnicki et aL, 1993). This simple pattern ofunderground water circulations through themassif is drastically modified by the major frac-ture zone and by radial and tangential fractureswhich catch the main part of the infilratingwaters. The high annual rainfall, the existenceof a superficial magmatic complex and the am-plitude of SP anomalies suggest an interpreta-tion based on electrokinetic effects. Meteoricwater easily infiltrates inside porous lava andthrough opened fractures. Progressivelyreheated, water circulations give rise to largeconvective hydrothermal cells. The cone ismainly submitted to upwards fluid motionsthrough radial and tangential fractures whichlie up to the rims of Bory and Dolomieu. Onto this first convective cell is superimposed alarge hydrothermal cell which is channelled bythe main horseshoe-shaped fracture zonewhich cut the whole massif (BachéIery, l98l),and a new cell which is actually developing inthe N l30q due to the last eruptions which haveinvolved the south-eastern rim of Dolomieucrater. Taking into account the width of the SPanomalies 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!5

magnitude of time constant of SP anomalies.

The south-east, N 130'g, Dolomieu anomaly appeared in less than 10 years. The 1977 north-east dyke showed an amplitude of 2,000 mV in1981 (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 de polarisation sponta-née représente une image du potentiel élec-trique mesuré à partir d'un même point deréférence, donc défini à une constante près.Les premières utilisations des mesures de PS

ont été faites dans le cadre de prospectionsgéothermiques (Zablocki, 1976; Corwin andHoover, 1979); puis elles furent étendues à

de nombreux volcans (Zablocki, 1976; Nishida and Tomiya, 1987). Sur ceux<i, la cir-culation de fluides, provoquée par un gra-dient de pression à travers une matrice pG'reuse connectée, est le mécanisme prépondé-rant (Massenet et Pham, 1985).

Plus de 70km de profils ont été réalisés àI'intérieur de I'Enclos Fouqué avec un pas

d'échantillonnage moyen de 50m (figure 1).La localisation horizontale des points de me-sures était assurée tous les 300m par un ré-cepteur GPS (Global Positionning System)

avec une erïeur moyenne de 25m. L'altitudeétait contrôlée par deux altimètres' La me-sure des différences de potentiel se faisait aumoyen d'un multimètre dont I'impédanced'entrée était de 100 ou 1000MO suivant lagamme de mesure. Les électrodes impolari-sables utilisées étaient en Pb-PbClr. La dériveentre les électrodes n'a pas excédé 3mV. Laforte résistance de contact a souvent imposéd'humidifier légèrement le sol. La stabilitédes mesures a été vérifrée plusieurs fois lelong d'un même profil et aux points de re-couwement. La différence maximale mesu-rée aux points de recouvrement était de20mV.

RÉSULTATS

La référence de potentiel R a été choisiedans la partie ouest, mécaniquement stableet sans activité de I'Enclos Fouqué (figure 2).

Une forte anomalie positive (diamètre moyen4km) est centrée sur le cône terminal' De200 mV, à la base ouest, le potentiel atteintune amplitude moyenne de 1500mV sur les

pourtours des cratères Bory et Dolomieu. Su-

perposées à ce niveau moyen, on observedeux anomalies. De plus grande extension(1500m X 750m), I'anomalie centrée sur lecratère Bory s'allonge suivant un axe sensi-

blement N 30e. La seconde anomalie, de di-mension plus restreinte (750m X 500m),présente une amplitude qui dépasse1850mV. Cette dernière anomalie s'étend àI'intérieur du cratère Dolomieu, traverse ce-

lui-ci sur sa bordure $SE et recourre le cra-tère Maillard. Cette anomalie PS reflète laprogression de I'activité volcanique de ces

dernières années. Depuis 1985,Ies éruptionsdans le Dolomieu ont ouvert des fissures danssa partie ouest (29 novembre 1985, 12 novembre 1986), dans sa partie SE (mars etjuil-Iet 1986, 25 novembre 1986, janvier 1987,juin 1987), puis au travers de sa paroi SE-etion bord externe fanvier 1990,juillet 1991,août 1992). Il faut aussi souligner quela trace de zones fumerolliennes resteencore visible le long de cet axe N 130s (fi-gures 2 et 3a).

A la forte anomalie positive centrée sur lecône se superpose une anomalie positive enarc de cercle. Au Nord du cône, I'anomaliepositive s'étend vers la plaine des Osmondes.Ce chenal nord est entaillé par deux ano-malies locales créées I'une par la fissured'awil 1977 dont l'amplitude atteint encore300mV, et I'autre Par l'éruPtion demai 1988. Au Sud du cône, I'anomalie posi-tive est plus diffuse. Elle semble buter contrela paroi de la caldeira aux alentours de Pitonde Bois Vert.

Deux coupes illustrent les anomalies PS

(figore 3 a et b). La coupe AB, de directionN 130e, est dans I'alignement des fortes ano-

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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 ettrace de la zone de fracturesprincipales.

ffiSchematic map of La FournaiseVolcano. Main faults and trace ofweakness axis.

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malies positives qui se développent depuisquelques années. La coupe CDE suit la lignedes anomalies maximales sur le flanc NE duvolcan (partie CD), tandis qu'elle resre à I kmenviron à l'Ouest sur le flanc SE. Le chenalsuivi par I'anomalie positive est donc dissymé-trique par rapport au sommet. Pour soulignerla puissance des anomalies PS, les valeurs sontcorrigées d'un ffit topographique moyen de-1,9mV/m (Lênat,1987). Les deux coupesmontrent une anomalie positive à flancs sub-verticaux. Cette anomalie vient se confrondreau sommet du volcan avec les fracturesconcentriques qui enserrent les cratères Boryet Dolomieu (isovaleur 1500mD.

A l'extérieur de I'Enclos Fouqué, le longde la rivière Langevin (Fitterman, 1982), per-

pendiculairement à la zone de fractures versPiton Ste Rose (Zlotnicki et a1.,1993), et dansla région du Baril (Aubert et aL,1993),lesanomalies de polarisation spontanée corres.pondent à des infiltrations d'eaux météo-riques ou à des écoulements souterrains sub-horizontaux à travers des milieux perméables(laves scoriacées, laves aa, pyroclastites nonargilisées).

Dtscussr0N

Le Piton de la Fournaise est le siège d'im-portantes précipitations annuelles. L'eau mé-téorique s'infiltre rapidement à I'intérieur dumassif, traverse des terrains hétérogènes, stra-tifiés et subhorizontaux, rencontre des ho-

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Anomalies et convectifs sur le volcan du Piton de la Fournaise J. Zlotnicki et ar.

MV

1 800170416001 5001400130012001 1001000

900800700600500400300200100

0-'100-200-300-400-500-600-700-800-900

-1 000

rizons imperméables (coulées massives, cen-dres, scories argilisées) et forme de petits ré-servoirs se déversant en aval dans des stratesperméablles. Ces circulations gravitaires encascade, soit resurgissent entre deux stratesimperméables dans les parois creusées par lesrivières (Remparts, Langevin, Est), soit don-nent naissance à d'importantes résurgencessous-marines (Gourgand et Stieljes, 1988;Coudray et a1.,1990;Aubert et a1.,1993;Zlot-nicki st aL,1993). Ce schéma simple de drai-nage est fortement perturbé par la présencede nombreuses hétérogénéités structurales'Les fractures au voisinage du sommet favori-

sent une percolation rapide à l'aplomb des

deux cratères. Sur les flancs du cône, les frac-tures radiales accentuent un drainage cana-lisé vers la zone de fractures principales. Lacartographie PS montre clairement des ano-malies constituées de plusieurs composantes:

- Une anomalie liée au cône' Cette puis-sante anomalie positive, d'environ 4km à sa

base, se rétrécit au sommet pour calquer lesfractures concentriques sommitales et lesparois des cratères.

- Une anomalie positive incurvée qui nesuit pas la trace N 10s-N 170n de 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.

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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"-N1 55". Courbes des potentielsmesurés et corrigés d'un effettopographique moyen (-1,9 mV/m,Lenat, 1987). Altitude le long descoupes.

ffia: AB slice of N 130o axis. b: CDE

slice of N 25o-N 1 55o axis. Curves ofraw potential values and of valuescorrected of a mean topographiceffect (-1,9 mV/m, Lenat, 1987).Altitude along the surveys.

Figure 4a: Profil PS du6 août 1992 des cratères Bory etDolomieu. b: Anomalie PS

engendrée par l'éruption du 27août 1992.

ffia: August 6, 1992, SP survey aroundBory and Dolomieu crater.b: Anomaly generated by August 27,1 992, eruption.

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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 plus importante et plusétendue.

- Une anomalie positive d'axe N 130s.Cette anomalie s'est développée en plusieursannées, dans la direction de frachrres préexis-tantes et de zones fumerolliennes.

La forte pluviométrie, la présence d'uncomplexe magmatique superficiel, l'hétéro-généité structurale et I'amplitude des ano-malies PS privilégient I'hypothèse d'un mo-dèle basé sur les effets électrocinétiques.L'eau météorique est canalisée par les frac-tures ouvertes lors de la migration des dykesvers la surface. Réchauffée en profondeur parla présence d'un complexe magmatique, lescirculations de fluides donnent naissance àde puissantes cellules de convection hydro-thermales. La signature des anomalies PSdonne à penser que le cône terminal est es-sentiellement le siège de circulations ascen-dantes le long des fractures concentriques etradiales. 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 le principal chenal d'évacuation desfluides en profondeur. La seconde cellule estcelle qui se propage de manière encore limi-tée vers le SE du cratère Dolomieu et quipourrait être la signature d'un nouvel axe defaiblesse mécanique du massif (N 130q). SiI'on admet que I'anomalie PS directementliée aux circulations hydrothermales à traversle cône se limite au cône lui-même, on peutsupposer que les bords externes de I'anoma-lie sont créés par le complexe magmatique(zone hachurée, figure 3a). En premièreapproximation, on peut estimer la profon-deur du complexe magmatique à au moins2km.

La cartographie réalisée en 1992 et 1993apporte des renseignements sur l'évolutiontemporelle des anomalies PS. La géométrieet I'amplitude des zones anormales peuventévoluer à l'échelle de la dizaine d'années oumoins, comme le montre le développementde I'axe N 130s. A l'échelle des éruptions fissurales, des anomalies locales de forte ampli-tude peuvent être engendrées. Ainsi, I'ano-malie associée à l'éruption d'awil \977, car-tographiée en 1981 par Lénat (1987), avait

3000

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I 500

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0

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-t 000

l'anomalie passe d'une direction N 30e à unedirection N 40'q-N 50q. Au Sud, I'axe estN200'g jusqu'au plancher de la caldeira, puiss'incurye dans la direction N 170'g. L'anoma-lie PS sur le flanc nord est d'extension laté-rale restreinte. Au Sud, I'anomalie positives'étend dans tout le secteur sud. Ce résultatest peut€tre à mettre en relation avec leséruptions deux fois plus fréquentes au Suddu cône qu'au Nord et qui permettraient une

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251

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mV

mV

alors une amplitude de 2000mV. En 1992,son amplitude n'était que de 300mV. Desanomalies PS de faible extension et de forteamplitude peuvent aussi exister temporaire-ment à I'aplomb de fissures non émissives,

comme le montre le profil entourant les cra-tères Bory et Dolomieu, réalisé les 6 et28août 1992 et en octobre 1992 (figure a).Le 27 aait une éruption se produit sur leflanc sud du cône, accompagnée de I'ouver-ture de fissures sèches à I'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 anomalie de 1250mV sur une lar-geur supérieure à 150m. Cette anomalie avaitdisparu deux mois Plus tard.

La cartographie de polarisation sPonta-née et les évolutions temporelles renseignentsur les circulations hydrothermales dans lemassif et sur les chenaux qu'elles empruntenten profondeur. Elle souligne les principaleshétérogénéités structurales. Elle donne des

indications sur le complexe magmatique etmet en lumière l'évolution de l'activité volca-nique à l'échelle de quelques années.

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