Dynamique eruptive et cycle sismique dans l'arc de Vanuatu – ARC-VANUATU

La compréhension des mécanismes à l'origine des éruptions volcaniques et des forts séismes en
contexte de subduction, l'étude des relations entre dynamique de la subduction et cycles éruptif et
sismique, et la recherche de signaux pour aider à la prévision de tels aléas destructeurs
requièrent de s'intéresser, en priorité, à des zones convergentes à déformation très rapide, à
événements fréquents, mais aussi favorables aux datations et à la quantification des processus.
La marge convergente du Vanuatu, jeune et très active, réunit de telles caractéristiques. Les
mouvements actuels y sont élevés : 10 à 17 cm/an pour la convergence, jusqu'au cm pour les
mouvements verticaux. Les séismes sont nombreux (au moins 1 de magnitude 7 par an). Les
volcans actifs, basiques et explosifs, présentent des éruptions fréquentes, voire quasi
permanentes, qui peuvent générer panaches et colonnes avec des flux de SO2
exceptionnellement élevés (pics jusqu'à 20000 t/j). La présence de formations coralliennes, outil
de datation remarquable et excellent enregistreur du niveau relatif de la mer et de la composition
chimique des eaux, permet d'appréhender la chronologie des éruptions volcaniques et les
mouvements verticaux à différentes échelles de temps (notamment inter sismique).
Deux secteurs de l'arc, à situation géodynamique différente, sont visés par le projet.
1) La partie centrale de l'arc et les volcans Ambrym et Lopévi. Cette portion d'arc, situé en face
d'aspérités entrant en subduction, est caractérisée par un fort couplage à la fosse, des
raccourcissements arrière-arc et intra-arc, de forts soulèvements, un taux de récurrence sismique
élevé et d'énormes appareils explosifs qui ont engendré des éruptions hydro-magmatiques
cataclysmales. La présence d'îles à l'avant et en arrière de l'arc actif et d'un banc sous-marin,
proche de la fosse et localisé sur la plaque plongeante, offre une opportunité exceptionnelle pour
étudier la séismicité et la géométrie de l'interface de subduction et des zones sismogènes, et
mesurer l'accumulation des contraintes sur une coupe complète de la marge. Les édifices actifs
d'Ambrym et du Lopévi produisent de forts panaches éruptifs et sont des sites de choix pour
comprendre les modèles d'accumulation de gaz et les mécanismes à l'origine des éruptions à
forts panaches, afin d'en évaluer les phénomènes précurseurs.
2) Le volcan Yasur dans la partie sud de l'arc. Les fortes fluctuations de l'intensité éruptive font de
ce volcan, facile d'accès et en activité permanente, un site privilégié pour une étude multidisciplinaire sur la cyclicité éruptive. Il offre aussi, avec son dôme résurgent et système
hydrothermal associé, l'opportunité d'étudier les processus qui contrôlent la résurgence de dômes
dans les caldeiras.
Les approches et méthodes suivantes -géophysique, géochimique, pétrologique et géologiquesont
proposées :
- mesures acoustiques en champ proche et lointain, pour quantifier la dynamique du dégazage
(pression, volume, flux) et comprendre les mécanismes à l'origine des différents types
d'activité, dans un objectif de surveillance et de prévision à distance (partenaires IPGP, CEA,
Vanuatu);
- mesures de la composition chimique (FTIR) et du flux massique des émissions gazeuses
(FTIR, acoustique en champ proche, radar), des teneurs et évolution des composants volatils
dissous dans les magmas (inclusions vitreuses), et du fractionnement des séries isotopiques
de l'Uranium pour étudier la dynamique et les bilans de dégazage magmatique (partenaires
LPS, IPGP, LMV, Vanuatu);
- analyse géochimique des produits volcaniques et des cristaux pour étudier les temps de
résidence dans les réservoirs et la cyclicité éruptive (partenaires LMV, IPGP, Univ. Nantes,
Univ. Lyon, Vanuatu);
- mesures électriques et électromagnétiques, couplées à la cartographie et au bilan des
émanations de CO2 pour l'étude du système hydrothermal du Yasur-dôme du
Yenkahe (partenaires LMV, LPS, Vanuatu);
- mesures sismologiques pour l'étude des structures (réservoir et conduit, interface de
subduction, plaque chevauchante) et de la distribution de la séismicité (partenaires GeoAzur,
IPGP, LMV, LGIT, Univ. Chili, Vanuatu) ;
- mesures géodésiques continues sur les édifices et à travers la marge, afin de déterminer les
déformations lors des pulsations volcaniques et du cycle sismique (accumulation et relaxation
des contraintes) et de mettre en évidence d'éventuelles déformations transitoires et signaux
précurseurs (partenaires IGN, IPGP, GéoAzur, Vanuatu) ;
- utilisation des coraux afin d'établir la chronologie des éruptions pour préciser les cycles
éruptifs, de déterminer les mouvements verticaux inter, co et post sismique, et d'identifier la
segmentation de la marge et les zones potentielles de rupture (partenaires GéoAzur, IRD,
Univ. Canberra, Univ. Montpellier, Vanuatu).
De part sa géodynamique tout à fait exceptionnelle, la région Pacifique Sud-Ouest et l'arc du
Vanuatu ont attiré depuis les années 1970 de nombreuses équipes pour de grands programmes
de recherche en géosciences. Elle fut une région pionnière dans l'étude de la tectonique des
plaques et les découvertes qui ont suivies: relation sismicité-subduction (Sykes 1966), mise en
évidence de bassins marginaux intra-arc (Karig, 1970 ; Chase, 1971), de renversement de
subduction (Kroenke, 1972 ; Packham, 1973 ; Gill et Gorton, 1973 ; Falvey, 1975), de
détachement de slab (Barazangi et al., 1973), du bombement lithosphérique avant subduction
(Dubois et al., 1974), découverte d'hydrothermalisme et dépôts sulfurés dans les zones
d'extension arrière-arc, (Fouquet et al., 1991). Récemment ce fut un des premiers grands
chantiers de mesures de déplacements instantanés par GPS, avec les vitesses mesurées les plus
rapides au monde (Bevis et al., 1995 ; Calmant et al., 1995). Les équipes françaises, favorisées
notamment par l'existence des Territoires français de Nouvelle-Calédonie et de Wallis et Futuna et
de la République de Vanuatu (anciennement Nouvelles-Hébrides, Condominium francobritannique)
et des Centres ORSTOM/IRD de Nouméa en Nouvelle-Calédonie et de Port Vila à
Vanuatu, ont, à terre comme en mer, toujours été présentes sur ce chantier qui, sans nul doute,
apportera encore des réponses à l'étude du processus de subduction, tels que séismicité et
volcanisme. En effet, les cibles choisies dans le projet proposé ici réunissent d'excellentes
conditions pour recueillir des informations cruciales sur la dynamique du dégazage et la cyclicité
éruptive, les mécanismes conduisant à la formation de panaches éruptifs, les modalités de
l'accumulation et relaxation des contraintes, et les relations entre cycle sismique et genèse de
reliefs. La fréquence élevée des événements sur ce laboratoire naturel exceptionnel permet
également d'envisager l'étude des relations entre la dynamique de la subduction et les cyclicités
éruptive et sismique.