Soutenance de Master 2 Recherche présentée par : PORTAL

Soutenance de Master 2 Recherche présentée par : PORTAL Angélie

Encadrants : M. P. Labazuy et M. J-F. Lénat

Jury : V. Cayol, A. Finizola, K. Koga, H. Martin, B. Moine, I. Vlastelic Spécialiste : F. Donnadieu

18 juin 2012

Problématique

Tomographie muonique / Muographie :

Muons atmosphériques

Détecteur

Calcul trajectoire + énergie initiale µ

CARTE COEFFICIENT ABSORPTION

Atténuation flux d’énergie

Inversion Monte Carlo

Projet ToMuVol : développement + déploiement détecteurs de muons atmosphériques sur les

édifices volcaniques étude de la structure interne des édifices volcaniques (approche structurale) et

surveillance des volcans (transfert de matière)

Problématique

Tomographie muonique / Muographie :

Muons atmosphériques

Détecteur

Calcul trajectoire + énergie initiale µ

CARTE COEFFICIENT ABSORPTION + Géométrie de l’édifice

Atténuation flux d’énergie

Inversion Monte Carlo Dôme de lave du Mont Usu , Japon

(Tanaka et Yokoyama, 2008)

CARTE DENSITOMETRIQUE

Projet ToMuVol : développement + déploiement détecteurs de muons atmosphériques sur les

édifices volcaniques étude de la structure interne des édifices volcaniques (approche structurale) et

surveillance des volcans (transfert de matière)

Problématique

Projets en cours : • Mont Asama, volcan Usu et Satsuma-Iwojima au Japon (Tanaka et al., 2007 ; Tanaka

et Yokoyama, 2008 ; Tanaka et al., 2009a ; Tanaka et al., 2009b) • Soufrière de Guadeloupe (Gibert et al. 2010; Lesparre et al., in press) • Vésuve, Stromboli (projet Mu-Ray, Macedonio et Martini, 2010) • Puy de Dôme (projet ToMuVol)

Objectifs :

confronter les modèles issus de différentes techniques d’imagerie géophysique (résistivités électriques et gravimétrie) et qualifier les modèles de muographie

intégrer les données gravimétriques et celles issues de la tomographie muonique :

inversion couplée Nishiyama et al. (2012) : résultats prometteurs développer des processus d’inversion couplée : données géophysiques multi-sources (ERT, gravimétrique, muonique)

contraindre les modèles structuraux des volcans 3

I. Contexte géologique du Puy de Dôme

Volcan de la Chaîne des Puys (à l’ouest de l’hémi-graben de la Limagne)

Photos : Soissons, P. Carte volcanologique de la Chaîne des Puys, 5e éd. (Boivin et al., 2009) 4

Vue ouest Vue nord

Altération importante du trachyte

résidus ocre-jaune le long de conduits de circulation hydrothermale

Volcan de la Chaîne des Puys (à l’ouest de l’hémi-graben de la Limagne) Cumulo-dôme de 400m de hauteur et 1,8km de largeur à sa base Formation : deux extrusions séparées par la destruction partielle de la 1ère

I. Contexte géologique du Puy de Dôme

II. Tomographie des résistivités électriques

Dispositifs expérimentaux multi-électrodes

Wenner Wenner-Schlumberger

Géométrie

Profondeur d’investigation 0,173*L 0,191*L

Sensibilité Verticale Horizontale et verticale

II. Tomographie des résistivités électriques 1. Méthode

a. Généralités

• ERT : tomographie des résistivités électriques dispositifs multi-électrodes

• Méthode quadripôle

courant électrique injecté par électrodes A et B

champ électrique dans le sol

différence de potentiel mesurée par électrodes M et N

loi d’Ohm résistivité apparente (𝝆𝒂𝒑𝒑 = 𝒌∆𝑽

où k : facteur géométrique propre au dispositif

Acquisition selon les protocoles Wenner et Wenner-Schlumberger

b. Acquisition des données

Quatre profils multi-électrodes : espacement de 35m (ensemble de l’édifice, ~2km de long) et 5m (zone sommitale) dans les directions N-S et E-W ( juin 2011 et mai 2012)

Acquisition selon le protocole Wenner en "roll-along"

Acquisition selon les protocoles Wenner et Wenner-Schlumberger

Quatre profils multi-électrodes : espacement de 35m (ensemble de l’édifice, ~2km de long) et 5m (zone sommitale) dans les directions N-S et E-W ( juin 2011 et mai 2012)

Données électriques brutes

Logiciel Res2Dinv

Topographie Filtrage Concaténation

II. Tomographie des résistivités électriques 2. Traitements et inversion

Logiciel d’inversion Res2Dinv

8 D’après Loke, 2011

Logiciel Res2Dinv

Pseudo-section (ρmes)

Logiciel Res2Dinv

Modèle en blocs

Logiciel Res2Dinv

Modèle en blocs

Choix des paramètres (limites ρ, itérations,…)

Processus d'inversion

itératif

D’après Loke, 2011

Logiciel Res2Dinv

Modèle en blocs

Processus d’inversion

Modèle : ρapp-calc et ρvraie-calc

itératif

Logiciel Res2Dinv

Modèle en blocs

Modèle : ρapp-calc et ρvraie-calc

Comparaison

itératif

Logiciel Res2Dinv

Modèle en blocs

Modèle : ρapp-calc et ρvraie-calc Comparaison

RMS error>0,5%

itératif

a. Zone sommitale : profil à 5m

64 électrodes espacées de 5m

RMS ≈6%

Structures très résistives : ρ = 20 – 30 kΩ.m

II. Tomographie des résistivités électriques 3. Résultats et interprétations

RMS ≈6%

Structures de résistivité

moyenne

RMS ≈6%

Structures de résistivité

moyenne

Milieu à faible résistivité (ρ<5kΩ.m)

b. Structure interne du Puy de Dôme

64 électrodes espacées de 35m N-S : RMS ≈6%

E-W : RMS ≈ 20%

Structures superficielles très résistives

E-W : RMS ≈ 20%

Formations profondes de

résistivité moyenne à forte

E-W : RMS ≈ 20%

Formations profondes de

résistivité moyenne à forte

Milieu à résistivité faible (ρ<5kΩ.m)

• Grande hétérogénéité dans la structure interne de l’édifice

• Différentes formations sont identifiées :

» Des structures très résistantes et très superficielles sur les flancs » Des unités de grande dimension et résistantes à l‘intérieur de l’édifice,

scellées dans un milieu faiblement résistant

» Aux extrémités des coupes (pied du Puy de Dôme) des formations résistantes sont identifiées (dépôts cônes stromboliens)

c. Interprétations préliminaires

III.Campagne gravimétrique de haute résolution

• Principe théorique

Mesure variations champ de pesanteur terrestre inégale répartition des densités dans le sous-sol

Utilisation des lois de Newton :

𝑭 =𝑮𝑴𝑻𝒎

𝑹𝑻𝟐 (en N)

Avec G=6,67.10-11 m3.kg-1.s-2 ; RT = 6371,0 km; MT=5,9736.1024 kg

𝑅𝑇

III. Campagne gravimétrique de haute résolution 1. Méthode

a. Généralités

• Principe théorique

Mesure variations champ de pesanteur terrestre inégale répartition des densités dans le sous-sol

Utilisation des lois de Newton :

𝑭 =𝑮𝑴𝑻𝒎

𝑹𝑻𝟐 (en N)

Avec G=6,67.10-11 m3.kg-1.s-2 ; RT = 6371,0 km; MT=5,9736.1024 kg

𝑅𝑇

• Principe de la mesure Gravimètres relatifs Scintrex CG-5 (INSU-CNRS) Elongation ressort Estimation de la gravité relative

a. Généralités

• Espacement des mesures : - ~250m zone distale (>1km/sommet) - entre 250m et 80m zone proximale

• Rattachement au réseau : - Base absolue - Base du prospect réoccupée

• Doublement des mesures au niveau des bases et 50% des stations de prospect

contrôle statistique de la qualité des données

a. Traitement des données

Correction des dérives •Dérive luni-solaire (attraction des astres) correction automatique •Dérive instrumentale (chocs et secousses)

correction par retour sur bases

𝑫𝑺 =𝑮𝑩𝒂𝒔𝒆−𝒓𝒆𝒕𝒐𝒖𝒓−𝑮𝑩𝒂𝒔𝒆−𝑫é𝒑𝒂𝒓𝒕

𝑯𝑩𝒂𝒔𝒆−𝒓𝒆𝒕𝒐𝒖𝒓−𝑯𝑩𝒂𝒔𝒆−𝒅é𝒑𝒂𝒓𝒕𝑯𝑺 − 𝑯𝑩𝒂𝒔𝒆−𝑫é𝒑𝒂𝒓𝒕

avec S la station de mesure •Rattachement des mesures au réseau international : utilisation bases gravité absolue

Nom Gravité (Abs., mGal) Structure d’affiliation

Cave sismique (Cézeaux) 980556,879 SO Gravimétrie de l’OPGC

Chambre de Commerce 980565,097 IGN/BGI

Eglise d’Orcines 980489,0179 IGN/BGI

Garage OPGC (sommet) 980341,9954 SO Gravimétrie de l’OPGC

III. Campagne gravimétrique de haute résolution 2. Traitements et inversion

Données brutes

Correction Luni-solaire/Terme de marée (attraction des astres)

Dérive instrumentale (fatigue du ressort)

b. Calcul de l’Anomalie de Bouguer

Données brutes

Correction de latitude (ellipsoïde de référence)

15 Illustrations : Gailler, 2010

Données brutes

Correction à l’air libre (altitude station)

Données brutes

Correction à l’air libre (altitude station)

Correction de plateau (densité réelle)

Correction topographique (dépressions et reliefs)

• Calcul préalable de l’Anomalie de Bouguer pour des densités de correction de 1,6 à 3,0.103kg.m-3

• Méthode de Nettleton

Comparaison des variations de l’Anomalie de Bouguer avec les variations topographiques

Minimisation relation anomalie-topographie: ρcorr~1,8 et 2,0.103kg.m-3

Sur échantillon de trachyte du Puy de Dôme : ρéch ≈ 2,034.103kg.m-3

(Auzanneau et Héritier , 2010)

c. Choix de la densité de correction

d. Cartes d’Anomalie de Bouguer

• Composante régionale formations géologiques profondes et étendues à l’échelle du Puy de Dôme, modélisée par un polynôme de degré 1

Composante régionale Résiduelle Totale

Cartes d’Anomalie de Bouguer calculées pour une densité de correction de 2,0.103kg.m-3

Données corrigées

GRID3D

Grille 3D de la sub-surface

D’après Camacho et al., 2010

e. Logiciel d’inversion des valeurs d’Anomalie de Bouguer

Données corrigées

GRID3D

GROWTH2.0

Modèle 3D des anomalies de densité

Tendance régionale, Résidus,…

Données corrigées

GRID3D

GROWTH2.0

Modèle 3D des anomalies de densité

Modèles graphiques des solutions

Tendance régionale, Résidus,…

Données topographiques

Structure centrale très dense d>2,3.103kg.m-3

III. Campagne gravimétrique de haute résolution 3. Résultats et interprétations

a. Modèles de contraste de densité

Unités de densité entre 1,5 et 1,8.103kg.m-3

Structures peu denses

(d<1,75.103kg.m-3)

• Grande hétérogénéité globale de l’édifice et plusieurs structures de densité identifiées : » Une unité très dense (>2,2.103kg.m-3), enracinée sur quelques centaine de mètres

sous le sommet, laissant supposer la présence d’une roche massive

» Des zones de densité inférieure (entre 2,0.103kg.m-3 et 1,4.103kg.m-3) : Dans la partie supérieure de l’édifice, une formation annulaire autour du noyau

dense (brèche?) Sur les flancs, avec un enracinement profond En périphérie de l’édifice cônes stromboliens

b. Interprétations

IV.Discussion

IV. Discussion 1. Comparaison des modèles de résistivités et de densité

Coupe N-S : • Structures correspondantes entre les

deux modèles

Cônes stromboliens R10 – D5 Petit Puy de Dôme R11 – D3 Puy Lacroix

• Structure interne : pas de corrélation

claire et systématique entre les formations résistives et formations denses

D1 (cœur dense) pas de contrepartie

évidente en terme de résistivité

Complexité et hétérogénéité très marquées de la structure interne du Puy de Dôme

IV. Discussion 1. Comparaison des modèles de résistivités et de densité

Coupe E-W : • Cœur dense mais sans contrepartie

dans le modèle de résistivité • D10 Dépôts de bas de pente

(brèche de nuées ardentes,…) ?

• R16 – D7 Cône strombolien ? (Puy de Corneboeuf)

• D9 Cône strombolien enfoui?

L’analyse des modèles requiert une étude des caractéristiques pétro-physiques des faciès de roche identifiés à l’affleurement

Contraindre les informations sur la structure du Puy de Dôme 22

IV. Discussion 2. Comparaison des modèles d’imagerie gravimétrique et muonique

• Carte d’atténuation des flux

de muons atmosphériques

• Ce flux est linéairement relié à la densité des roches traversées.

• Les premières centaines

de mètres montrent une grande hétérogénéité

• Structures comparables (géométrie et propriétés physiques)

cœur dense présent sous le sommet

ToMuVol préliminaire

IV. Discussion 3. Structure interne de l’édifice

Soubassement :

Cônes stromboliens antérieurs, totalement ou partiellement recouverts ?

Cœur dense

Faible résistivité

fracturation/microfracturation d’un dôme massif ?

Anneau de faible densité

G a i n e b r é c h i q u e contemporaine de la mise en place du dôme trachytique ?

Milieu très hétérogène

Trace hydrothermalisme très actif + fracturation importante ?

Zone superficielle hétérogène

Unités très résistantes de faible épaisseur

coulées tardives de trachyte? (Miallier et Boivin, com. pers.)

Conclusion et Perspectives

Conclusion

L’analyse comparée des modèles géophysiques (paramètres indépendants : ERT, gravimétrie et muographie) fourni un modèle géologique au 1er ordre

implique une remise en question le modèle actuel de formation et d’évolution du Puy de Dôme (chronologie, polyphasage,…) Difficultés : • La comparaison de modèles qui n’illustrent pas les mêmes grandeurs

(résistance et densité)

• La pertinence des modèles d’inversion est encore trop dépendante des procédures implantées dans les logiciels commerciaux

• Etude détaillée de terrain et analyse, en laboratoire, des propriétés

physiques roches constituant le Puy de Dôme,

+ • Nouvelles acquisitions géophysiques complémentaires (électromagnétique,

sismique,,…)

Mieux contraindre les modèles pour fournir une vision plus complète de la structure interne de l’édifice

• Intégration des données géophysiques multisources au sein d’une base de

données qui sera intégrée dans un algorithme d’inversion simultanée

Augmenter les contraintes sur les modèles structuraux des édifices volcaniques

Perspectives

Merci de votre attention

Photo : Soissons, P.

Boivin, P. et al. (2009). Volcanologie de la Chaîne des Puys. Parc Naturel Régional de la Chaîne des Puys (Ed.) Carte et fascicule, 5e éd., 179 p. Camacho A.G. et al. (2011). The 3-D gravity inversion package GROWTH2.0 and its application to Tenerif Island, Spain. Computers and

Geosciences, 37, 321-633. Gailler, L. (2010). Apports des données géophysiques multi-sources pour l’identification des caldeiras du plateau de Nevsehir, Anatolie

Centrale, Turquie. Classification texturale des formations volcaniques à partir de l’imagerie satellitaire. Thèse de doctorat d’université. Université Blaise Pascal – Clermont-Ferrand II : Université de Clermont-Ferrand, 468p.

Gibert D. et al. (2010). Muon tomography : Plans for observations in the Lesser Antilles. Earth Planets Space, 62, 153-165. Lesparre, N. et al. (2012). Density Muon Radiography of La Soufrière of Guadeloupe Volcano: Comparison with Geological, Electrical Resistivity

and Gravity data, Geophysical Journal International, in press. Loke M.H. (2011). Tutorial : 2-D and 3-D electrical imaging surveys, 125p. http://www.geotomosoft.com/downloads.php. Macedonio G. et Martini M. (2010). Motivations for muon radiography of active volcanoes. Earth Planets Space, 62, 139-143. Nishiyama H. et al. (2012). Development of a joint inversion technique using gravity and muon-radiographic data for resolving three-

dimensional density structure of a gigantic body. I"nternational Workshop on "Muon and Neutrino Radiography 2012", Université de Clermont-Ferrand I, Clermont-Ferrand, France, 17 – 20 avril 2012, http://mnt2012.in2p3.fr/

Tanaka, H., & al. (2007). Development of an emulsion imaging system for cosmic-ray muon radiography to explore the internal structure of a

volcano, Mt. Asama. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, A(575), 488-497. Tanaka, H. K., & Yokoyama, I. (2008). Muon radiography and deformation analysis of the lava dome formed by the 1944 eruption of Usu,

Hokkaido —Contact between high-energy physics and volcano physics—. 107 - 116. Tanaka, H., & al. (2009a). Detecting a mass change inside a volcano by cosmic-ray muon radiography (muography): First results from

measurements at Asama volcano, Japan. Geophysical Research Letters, 36, L17302, 4p., doi:10.1029/2009GL039448. Tanaka, H. K. M. et al. (2009b). Cosmic-ray muon imaging of magma in a conduit : Degassing process of Satsuma- Iwojima Volcano, Japan.

Geophys. Res. Lett., 36, L01304, doi:10.1029/2008GL036451.

Références

Annexe 1

Schéma de principe de l’acquisition en roll-along

Loke, 2000

Loke, 2011

Annexe 2

Positionnement des points de mesure

Utilisation GPS Topcon : • Profils électriques : - juin 2011 : mode RTK (Real Time Kinematic) avec post-traitement - mai 2012 : mode statique rapide avec post-traitement post-traitement : utilisation réseau antennes permanentes de Clermont-Ferrand (CLMT et CLMD) • Stations de mesures gravimétriques :

- GPS en mode statique rapide avec post-traitement - au centre du trépied du gravimètre

Annexe 3

Schéma de principe de fonctionnement du Gravimètre Scintrex CG-5

Annexe 4

Corrélation des variations de l’AB avec les contrastes de densité et la topographie

Gailler, 2010

2,0 1,8 1,6 2,2

2,4 2,6 2,67 2,8

Annexe 5

Cartes d’Anomalie de Bouguer calculées pour différentes valeurs de densité de correction

Annexe 6

Non-unicité de la reconstruction : cône de source des solutions

Sélecteur d’électrodes ABEM Terrameter ES 10-64C

Résistivimètre ABEM

Batterie

Electrode

Câble multi-électrodes

Connecteur à pinces Amélioration du contact

sol-électrode : eau salée+bentonite

Annexe 6

Soutenance de Master 2 Recherche présentée par : PORTAL

Documents

Soutenance memoire

Présentation soutenance

Soutenance présentée publiquement le 17 décembre 2004 Pierre MARECHAL

Catalogue PORTAL ALUMINIUM

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