5 geophysique des volcans

Prospective Institut des Sciences de la Terre – Version 7 – 8 juillet 2009
5 GEOPHYSIQUE DES VOLCANS
5.1 INTRODUCTION
Les volcans sont des objets complexes tant par leur structure composite que par
la diversité des phénomènes qui s’y produisent et qui impliquent des interactions
entre des matériaux en phase solide, liquide ou gazeuse. Comme toutes les sciences
de la Terre, la volcanologie, qui dans ses débuts était surtout une science
descriptive, connaît une profonde mutation. Les progrès de l’instrumentation ont fait
exploser la quantité, la qualité et la diversité des données disponibles, le facteur
limitant étant maintenant l’accès aux longues séries temporelles de données. Les
techniques d’inversion et de traitement de l’information permettent d’extraire des
informations de plus en plus détaillées sur les structures, les sources et les processus
volcaniques. L’étude de volcans très actifs et bien instrumentés, ont fait progresser
fortement la compréhension des phénomènes. Celle-ci repose également sur
l’utilisation de modèles analogiques ou numériques qui permettent de représenter
de mieux en mieux la complexité de phénomènes souvent non-linéaires. L’éruption
du volcan Soufrière Hills de Montserrat depuis 1995 a notamment permis des
avancées considérables dans ce domaine (Druitt et al., 2002).
Disposer d’une représentation de la structure des édifices volcaniques, de leur
système d’alimentation, des principales hétérogénéités est un préalable essentiel à
la compréhension de leur fonctionnement ainsi qu’à leur surveillance. Cette étape
est indispensable à toute modélisation mécanique de l’édifice, ainsi qu’en
sismologie pour localiser correctement et déterminer les mécanismes à la source.
L’hypothèse d’un milieu homogène n’est plus acceptable dès lors que l’on souhaite
parvenir à une modélisation réaliste des processus physiques. Par exemple, la
structure des couches superficielles joue un rôle critique dans la modélisation de la
source des séismes volcaniques (Bean et al., 2008). Par ailleurs, la connaissance
précise des structures est nécessaire dès lors que l’on ambitionne d’en estimer
l’évolution temporelle (tomographie 4-D).
Un problème majeur en volcanologie est de préciser les relations entre
observables géophysiques et processus physiques dans les systèmes magmatiques et
hydrothermaux. Cette question touche à l’interprétation des données et à la
possibilité de rendre les prédictions d’éruption plus fiables et plus précises. Dans le
cas des déformations observées par des méthodes satellitaires ou par des capteurs
au sol, il faut mieux comprendre les interactions entre les écoulements de fluide et
l’encaissant solide, ainsi que le couplage entre les sources de déformations et la
sismicité. Le comportement des systèmes volcaniques est complexe et résulte des
interactions entre de nombreux phénomènes tels que dégazage, cristallisation,
exsolution, changement de phase ou variations de viscosité (Melnik et Sparks, 2002).
Ces phénomènes sont impliqués dans les sources des événements sismiques de
longue période et des trémors volcaniques. Leur étude conduira à une meilleure
interprétation de l’activité sismique des volcans.
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Dans ce contexte, l’équipe Géophysique des Volcans se propose de développer
des méthodes physiques et géophysiques et de les appliquer à l’étude des
phénomènes et structures volcaniques. Elle travaille également à l’amélioration des
méthodes de surveillance et à leur application à la réduction des risques
volcaniques. Elle est impliquée dans le transfert de ces technologies vers les pays du
Sud. Le groupe initial, orienté vers l’observation et l’instrumentation, a ensuite
développé diverses méthodes d’analyse (traitement du signal et d’antenne
sismique, localisation en doubles-différences) pour lesquelles ses compétences sont
reconnues. A partir de cette expérience et des nombreux jeux de données acquis
sur des volcans actifs, l’équipe s’est renforcée et a orienté ses efforts vers deux
domaines, complémentaires, l’imagerie des structures et la modélisation des
processus. L’équipe souhaite intensifier ses travaux dans ces domaines suivant des
thèmes décrits plus en détail ci-dessous. Elle renforcera pour cela ses collaborations
avec d’autres équipes du laboratoire, d’institutions nationales ou internationales,
travaillant dans le domaine de la géophysique ou dans d’autres champs
disciplinaires.
Malgré un trop faible effectif, l’équipe participe à de nombreux projets nationaux
et internationaux et encadre un nombre raisonnable d’étudiants en thèse et en
master. L’accès aux parcs nationaux d’instruments, à de nombreuses bases de
données d’observatoires volcanologiques et à des moyens informatiques tel que le
cluster MUST de l’Université de Savoie, l’obtention de financements suffisants ces
dernières années, l’amélioration du support technique dont elle dispose et
l’emménagement récent dans des locaux plus spacieux lui permettent d’envisager
avec confiance le développement de ses activités. Le principal défi que l’équipe
doit relever à moyen terme est de renforcer ses effectifs en attirant sur des postes de
chercheur ou d’enseignant-chercheur de jeunes scientifiques de haut niveau.
5.1.1 Composition de l’équipe
Nom
Statut
Thématique principale
Jean-Luc Got
PR
Sismologie et mécanique
Philippe Lesage
MCF
Sismologie volcanique
Jean-Philippe Métaxian
CR
Sismologie volcanique
Virginie Pinel
CR
Modélisation mécanique et déformation
André Revil
DR
Méthodes électriques
Jean Vandemeulebrouck MCF
Systèmes hydrothermaux
Pascale Bascou
IE (50%) INSAR
Svetlana Byrdina
IE
INSAR, méthodes électriques
Jacques Grangeon
IE
Instrumentation
Tableau 5-1: Permanents de l’équipe « Géophysique des volcans »
Nom
Statut
Thématique principale
Olivier Coutant
Physicien Imagerie sismique
Jean-Robert Grasso DR
Modélisation des processus et prédiction
David Marsan
PR
Sismicité
Philippe Roux
DR
Acoustique
Bernard Valette
IR
Imagerie sismique
Tableau 5-2 : chercheurs avec thématique mineure dans l’équipe
Nom
Soutenance prévue Thématique de la thèse
Estelle Cros
Fin 2011
Systèmes hydrothermaux
Laurence Perrier Fin 2011
Sismologie volcanique
Tableau 5-3 : Etudiants actuellement en thèse qui participeront au prochain quadriennal
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5.1.2 Demande de moyens :
L’équipe « Géophysique des volcans » est une des plus petites du laboratoire. Elle
comporte 3 chercheurs et 3 enseignants-chercheurs. Pour assurer sa pérennité et le
développement de ses thématiques dans les domaines de l’imagerie et de la
modélisation, il serait nécessaire de recruter deux chercheurs au cours du prochain
contrat quadriennal.
CHERCHEURS
2
1 CR, CNRS ou IRD, pour l’imagerie géophysique des structures volcaniques
1 CR, CNRS ou IRD, pour la modélisation des processus magmatiques et
hydrothermaux
ITA : 1
1 agent administratif pour le pôle chambérien
Tableau 5-4 : Besoins humains prévisionnel
5.2 IMAGERIE
Déterminer la structure des édifices volcaniques nécessite une approche multiéchelles, en relation avec la taille des objets géologiques et la fréquence des
signaux géophysiques observés. Si l’on prend l’exemple de l’imagerie sismique, cette
approche a pour objectif de fournir la couverture en rais sismiques la meilleure
possible ; la résolution à grande échelle constitue un pré-conditionnement du
problème. L’imagerie de la structure doit donc être réalisée à 1) l’échelle régionale,
2) l’échelle de l’édifice, kilométrique, pour caractériser l’ensemble du cône et son
enracinement dans la croûte sur les premiers kilomètres et 3) une échelle
hectométrique permettant de caractériser les couches superficielles. L’obtention
d’un modèle complet de la structure demande de combiner diverses approches
telles que la tomographie sismique classique ou en double-différence, SPAC, f-k,
H/V, sources actives, corrélation de bruit, en en précisant les limites et les artefacts
possible. De plus, dans les cas où la structure géologique ou le processus physique
étudié est observable par plusieurs méthodes (sismique, acoustique, PS, résistivité,
etc.), la combinaison de plusieurs types d’imagerie et des inversions conjointes
peuvent mieux contraindre les modèles. Par ailleurs, l’imagerie satellitaire est une
source de données importante en volcanologie pour l’étude des déformations, du
flux thermique ou des émissions de gaz et de cendre. De nouveaux satellites et des
progrès des techniques de traitement permettront d’augmenter la résolution spatiale
et temporelle des images.
Nous développerons notre recherche en imagerie suivant cinq axes:
5.2.1 Analyse des performances (stabilité, résolution et profondeur
d’investigation) de différentes méthodes d’imagerie sismique et
électrique sur un même site volcanique.
Nous souhaitons réaliser des campagnes de tomographie multi-méthodes sur
des sites volcaniques de petite taille : Solfatara de Pouzzoles, zone sommitale de
l’Etna, ainsi que sur un site local en collaboration avec les équipes « Ondes et
Structures » et « Risques » : tomographie multi-échelle, corrélation de bruit, SPAC, f-k,
H/V, sources actives, tomographie de résistivité électrique. Dans chaque cas nous
développerons une méthode d’estimation de la résolution spatiale, qui permettra
l’optimisation de la géométrie des dispositifs d’acquisition.
5.2.2
Imagerie des sources de bruit sismique.
Nous utiliserons systématiquement les méthodes d’antenne développées au
sein de l’équipe (Métaxian et al., 2002), ainsi que les méthodes de Beam Forming ou
Matched Field Processing afin d’imager les sources de bruit sismiques que l’on trouve
fréquemment sur les volcans ou les champs hydrogéothermaux, notamment sur le
site de la Solfatara, Pouzzoles.
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5.2.3 Imagerie des zones hydrothermales
Comprendre la dynamique et la géométrie des circulations des fluides
hydrothermaux est une étape importante pour déterminer la stabilité des édifices
volcaniques, discriminer les sources hydrothermales des sources magmatiques, et
évaluer les risques de phénomènes phréatomagmatiques. Notre approche est
double : (a) imager les sources hydrothermales qui génèrent à la fois des signaux
sismiques et électriques par inversion jointe des signaux acoustiques et de potentiel
spontané ; (b) caractériser les structures hydrothermales et la dynamique du
transport. Nous avons développé une méthode d'inversion combinée à 3-D des
circulations hydriques dans les systèmes hydrothermaux volcaniques (Revil et al.,
2008, Jardani et al., 2008). Nous allons travailler maintenant sur une approche
stochastique du problème inverse pour aboutir à des modèles 3-D de systèmes
hydrothermaux qui intègrent différentes sources d'information - flux thermique et de
CO2, vitesse sismique, potentiel spontané, résistivité électrique - en utilisant un code
de transport multiphasique et réactif.
5.2.4 Analyse de l’applicabilité des méthodes de corrélation de bruit sur les
volcans.
Le bruit sismique est une source d’information aussi bien sur le niveau
d’activité d’un volcan que sur sa structure et éventuellement sur les modifications de
celle-ci. La méthode d’extraction de fonctions de Green par corrélation de bruit,
développée notamment par les chercheurs de l’équipe « Ondes et Structures », a
permis de détecter des variations temporelles de vitesse des ondes avant des
éruptions du Piton de la Fournaise (Brenguier et al., 2008). Des résultats préliminaires
obtenus sur le Popocatepetl suggèrent que les sources de bruit, provenant de
l’activité propre du volcan ou externes à celui-ci, sont variables dans le temps et
peuvent engendrer des variations temporelles des fonctions de corrélation du bruit.
Nous continuerons ces travaux afin d’évaluer les influences respectives des sources
de bruit internes et externes aux volcans, ainsi que celle de leur distribution et
stationnarité, sur la reconstruction des fonctions de Green. Il s’agit de contribuer à
établir les limites et les conditions d’application de cette méthode en volcanologie.
5.2.5
Etude de l’évolution temporelle de la déformation par interférométrie
radar satellitaire.
La résolution temporelle de l’InSAR est encore faible (de l’ordre du mois) mais
elle s’améliore avec les nouveaux satellites lancés (Cosmo-Symed, Terrasar X) et
permet déjà de détecter finement l’évolution temporelle de flux de magma en
période de stockage pré-éruptif (Lu et al, 2003). Nous utiliserons les nouvelles
méthodologies développées pour l’étude des séries temporelles de données
satellitaires (Ferreti et al., 2001, Berardino et al., 2002, Hooper 2008) afin d’imager
l’évolution des zones de stockage de magma.
5.3 MODELISATION
L’objectif de la modélisation des processus éruptifs est d’être capable, à partir
des observables de surface, d’obtenir une information sur les variations des
propriétés physiques de l’encaissant, du magma et sur le moteur de l’activité
volcanique : les conditions de pression à l’origine de la migration du magma vers la
surface et leur évolution temporelle. Obtenir ce type d’information est le seul moyen
d’avoir une information prédictive sur l’activité volcanique. Cette activité de
modélisation s’appuiera sur l’imagerie géophysique pour caractériser le milieu
encaissant, et sur les observations « multi-méthodes » pour caractériser son évolution
temporelle. Nous utiliserons également des données géochimiques (par exemple
variations temporelles du flux de CO2) ou pétrologiques dans le cadre de
collaborations (LMV-OPGC). Suivant les processus étudiés, nous développerons des
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modèles numériques, nous réaliserons des expériences analogiques en laboratoire
ou nous combinerons les deux approches.
5.3.1 Réponse du milieu encaissant au forçage magmatique
Une partie de l’activité de modélisation concernera l’étude de la réponse du
milieu encaissant (enveloppe crustale et système hydrothermal) au forçage
magmatique. En ce qui concerne la réponse crustale, il s’agira :
-d’analyser la stabilité des édifices volcaniques (modélisation mécanique à partir
de contraintes fournies par des techniques d’imagerie résolvantes et d’analyse de la
sismicité, sur une cible active et bien instrumentée, dans le cadre de l’ANR
« UNDERVOLC », et en collaboration avec l’USGS) ;
-de comprendre la relation entre déformation d’un édifice volcanique et
sismicité (cas du Kilauea, Hawaii, genèse de séismes lents), travail effectué en
collaboration avec David Marsan, LGIT - équipe « Mécanique des failles », dans le
cadre de l’ANR « ASEISMIC ».
- de mieux caractériser la répartition spatio-temporelle de la sismicité volcanotectonique induite par la propagation du magma dans la continuité de ce qui a été
proposé par Rubin et Gillard (1998) mais en prenant en compte la complexité du
milieu parcouru et ceci en utilisant les méthodes numériques d’étude de la
fracturation développées dans l’équipe « Risques ».
Sur les volcans se développent fréquemment des systèmes hydrothermaux
multiphasiques. Il est primordial, notamment pour la compréhension de l’initiation de
certains processus éruptifs, d’étudier la dynamique propre de ces systèmes en terme
de sismicité, déformation et modification des flux (Vandemeulebrouck et al., 2005).
Nous étudierons la réponse d’un système hydrothermal à un forçage magmatique
grâce à des expériences - analogiques à petite-échelle, numériques (collaboration
INGV) pour le passage aux milieux naturels. Nous privilégierons des milieux poreux
fragiles plutôt que les matériaux faiblement cohésifs de nos expériences actuelles,
afin de suivre la fracturation du milieu lors des montées de front de
pression/température.
5.3.2 Interaction magma-solide
Pour le prochain contrat quadriennal, nos objectifs sont :
- de traiter l’aspect thermique du couplage entre magma / encaissant, car
l’accumulation de magma dans la croûte entraîne une modification locale de son
comportement par augmentation de sa température. L’enjeu est de comprendre la
mise en place des grands réservoirs magmatiques, de faire le lien entre les grandes
sources d'inflation mises en évidence par interférométrie (Froger et al, 2007) et plus
largement de comprendre le lien entre plutonisme et volcanisme (collaboration
avec C. Annen et T. Ménand, Bristol)
- de mieux prendre en compte le couplage entre l’écoulement du fluide et
l’encaissant dans le cas des conduits ouverts. L’enjeu est de comprendre l’origine
des cycles d'activité observés (passage de comportements effusifs à des
comportements explosifs) dans le cas des stratovolcans andésitiques. Ceci se fera en
modélisant le signal géodésique et sismique induit par l'écoulement du fluide et en
comparant les résultats obtenus aux données enregistrées (collaboration avec S. De
la Cruz Reyna, UNAM, et H. Massol, Orsay, applications: Colima, Popocatepetl).
- de mieux prendre en compte le couplage entre l’écoulement du fluide et
l’encaissant dans le cas de la propagation de dykes par fracturation de l’encaissant.
L’enjeu est de comprendre la localisation des éruptions et leur évolution dans le cas
des volcans basaltiques comme le Piton de la Fournaise où une migration de
l'activité associée à des modifications de composition du magma est observée
(Peltier et al, 2008)
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5.3.3 Modèles de source
L’interprétation des signaux sismo-acoustiques associés aux explosions et aux
trémors volcaniques requiert le développement de modèles de source. Une
première approche est l’estimation du tenseur des moments sismiques par l’inversion
des formes d’onde. Dans la gamme de fréquence utilisée pour ce type d’inversion
dans un contexte volcanique, les effets de structure et de topographie doivent être
pris en compte de façon très précise. L’interprétation des fonctions temporelles du
tenseur des moments sismiques en terme de processus physique doit intégrer les
observations obtenues par d’autres méthodes (radar Doppler, acoustique ;
collaboration UCDublin, INGV, OPGC). Une autre approche est la simulation
numérique de modèles de source de trémor, à l’aide d’un code de simulation des
interactions entre phases (gazeuse, liquide, solide) (collaboration UCD : O’Brien et
Bean, 2009). Il est également nécessaire (1) de comprendre la propagation d’ondes
dans un conduit magmatique en tenant compte de la stratification horizontale et
verticale liée au dégazage (collaboration Collombet, 2009 ; Jousset et al., 2003) ; (2)
de comprendre certains aspects de la physique des magmas (en collaboration
avec le Laboratoire de Physique de l’ENS-Lyon ; Vidal et al., 2006): comportement
des bulles dans ces fluides non-newtoniens (Divoux et al., 2008), dégazage à travers
des réseaux de fracture ou transitions ductiles-fragiles liées à des variations de
température, de pression ou de contenu en volatile et en cristaux.
Le développement de la modélisation au sein de l’Equipe Géophysique des
volcans se fera d’abord en s’appuyant sur des compétences internes existantes
dans l’équipe -ou plus largement au sein du laboratoire. Il se fera également à
travers des collaborations extérieures (Bristol pour le couplage thermique entre le
magma et l’encaissant, Orsay pour l’écoulement fluide, ENSL, INGV) Les conditions
sont réunies pour réussir un bond qualitatif dans la compréhension des phénomènes
magmatiques éruptifs. Le développement de ce projet nécessitera le recrutement
d’un chercheur spécialisé dans la modélisation de l’interaction fluide/structure afin
de renforcer les compétences et le dynamisme de l’équipe sur cet aspect.
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