Le bruit de fond sismique ambiant révèle la structure du système volcanique actif de Toba (Indonésie)

Vendredi, 31 octobre 2014

Pour la première fois, l’existence d’un complexe filonien dans la croûte sous un système volcanique actif a pu être identifié grâce à l’enregistrement du bruit sismique autour de la caldeira de Toba en Indonésie. Cette étude menée par une équipe internationale dont quatre chercheurs de l’Institut de physique du globe de Paris (CNRS,  Paris Diderot, Sorbonne Paris Cité) est publiée dans la revue Science du 31 octobre 2014.

  • Vue de la caldeira de Toba depuis le bord du cratère, Indonésie (Photo: Trond Ryberg, GFZ)
  • Vue du mur délimitant la caldeira de Toba View on the crater wall of the Toba caldera, Indonesie (Photo: Trond Ryberg, GFZ)


Au cours de son histoire, même récente, la Terre a connu des éruptions exceptionnelles par le volume de matériel volcanique émis. Ce fut notamment le cas, il y a 74 000 ans en Indonésie, à proximité de la zone de subduction de Sumatra. Une éruption explosive gigantesque a formé une immense caldeira, devenue l’actuel lac Toba long de 8O km. Les spécialistes estiment à 2 800 km3 le volume de matériel volcanique émis dans l’atmosphère, ce qui a très vraisemblablement eu un impact sur le climat et la biosphère à l’échelle globale. Etait-ce un événement unique survenu il y a des milliers d'années ou pourrait-il se produire à nouveau ? Pour s’en faire une idée, il faudrait connaître l’ensemble du processus qui a conduit à la formation du super-volcan à l’origine d’une telle explosion et en particulier sa structure profonde.

Une éruption cataclysmique de ce type suppose, en effet, la formation d’un super-volcan et l’accumulation d’une quantité importante de magma dans la croûte. Comment une telle quantité de magma peut-elle s’accumuler dans la croûte terrestre ? Quelle est la structure du système magmatique en profondeur. Est-elle composée d’une seule grande chambre magmatique compacte, ou bien le magma est-il réparti en plus petits volumes ? Et quelle serait la forme des ces petits amas de magma ? Pour tenter de répondre à ces questions une équipe composée de chercheurs russe, français et allemand (1) a entrepris d’étudier la structure profonde de la caldeira de Toba.

Cette équipe a utilisé une technique récente d'imagerie sismique passive mise au point par des équipes françaises en  2005. La méthode consiste à installer un réseau dense de stations sismologiques, ici 40 sismomètres répartis dans la région de Toba par des chercheurs du GFZ-Potsdam, et d’analyser le bruit sismique ambiant (provoqué par la houle, le vent, les marées, l’activité humaine), plutôt que de s’intéresser aux ondes issues des séismes. En effet, contrairement aux séismes, le bruit sismique présente l’avantage d’être permanent. En procédant à un enregistrement sur une longue période de temps, ici six mois, il est possible de déterminer les caractéristiques de la zone étudier.


Interprétation de la structure sismique sous la caldeira de Toba. Au dessus de 7 km de profondeur, une zone de faible vitesse (en rouge sur la figure) a été formée par les dépôts de la dernière éruption. En dessous de cette profondeur, l'anisotropie est induite par des couches de magma horizontales (sills).


Pour cela, les chercheurs ont extrait du signal enregistré les ondes de surfaces qui servent de scanner pour la croûte terrestre. Ils ont observé que la vitesse de ces ondes dépendait de la direction dans laquelle elles cisaillent le milieu sur leur passage, ce qui est caractéristique d’une forte anisotropie du milieu. Plus précisément l'anisotropie sismique observée est due à l'orientation prédominante d’intrusions magmatiques horizontales, que les volcanologues appellent « sills ».

Ainsi, les observations ont montré que la croûte terrestre sous ce super-volcan est constituée de nombreuses intrusions magmatiques quasi horizontales (sills), dont certaines sont encore partiellement fondues. Ce résultat corrobore d'autres observations géologiques antérieures qui suggéraient que l'important volume de magma éjecté pendant l'éruption avait été lentement accumulé, pendant plusieurs millions d'années, sous forme de sills (voir figure).

Note(s): 

(1) l’équipe est composée de chercheurs de l’Institut de Physique du Globe de Paris (Sorbonne Paris Cité, Université Paris Diderot, CNRS), du Trofimuk Institute of Petroleum Geology and Geophysics de l’Academie de Sciences Russe à Novosibirsk, de l’Université de Novosibirsk, et du German Research Centre for Geosciences 9GFZ) à Potsdam

Source(s): 

A large magmatic sill complex beneath the Toba caldera, Jaxybulatov, K., N.M. Shapiro, I. Koulakov, A. Mordret, M. Landès, C. Sens-Schönfelder (2014),  Science 31 octobre 2014

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Nikolai Shapiro, nshapiro [at] ipgp [dot] fr, Tél : +33 6 60 62 11 79

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