Laboratoire Magmas et Volcans, Clermont-Ferrand (France) Laboratoire de Physique Corpusculaire, Clermont-Ferrand (France) Institut de Physique Nucléaire de Lyon (France)

Angélie PORTAL et la collaboration ToMuVol

Présentation : Collaboration de laboratoires aux spécialités complémentaires : Développement + déploiement de détecteurs de muons atmosphériques sur les édifices volcaniques Etude de la structure interne des volcans (approche structurale) et surveillance (transfert de matière) Objectifs : Confronter les modèles issus de différentes techniques d’imagerie géophysique (résistivités électriques et gravimétrie) et qualifier les modèles issus de la muographie Développer des processus d’inversion simultanée : données géophysiques multi-sources (ERT, gravimétrique, muonique,…)

Nishiyama et al., 2012 : inversion couplée données gravimétriques et muoniques

Volcanologie-Géophysique Observation

Physique des particules

• Laboratoire Magmas et Volcans • Laboratoire de Physique Corpusculaire

• Observatoire de Physique du Globe • Institut de Physique Nucléaire de Lyon

Projet ToMuVol

Projets en cours et sites expérimentaux : 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., 2012) Vésuve, Stromboli (projet Mu-Ray, Macedonio et Martini, 2010)

Puy de Dôme (projet ToMuVol)

Dôme de lave du Mont Usu, Japon (Tanaka et Yokoyama, 2008)

Projet ToMuVol

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)

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

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

Altération importante du trachyte : résidus de circulation hydrothermale

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Tomographie muonique / Muographie Principe

Muons atmosphériques

Roche des édifices volcaniques

Détecteur

Calcul trajectoire + énergie initiale µ

CARTE COEFFICIENT ABSORPTION + Géométrie de l’édifice

Atténuation flux d’énergie

Inversion Monte Carlo

CARTE DENSITOMETRIQUE

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Tomographie muonique / Muographie Expériences • 1ère campagne : détecteur positionné à l’Est du Puy de Dôme

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Tomographie muonique / Muographie Expériences • 1ère campagne : détecteur positionné à l’Est du Puy de Dôme • 2ème campagne : détecteur positionné au Sud du Puy de Dôme

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Mesures gravimétriques Mesures relatives au gravimètre Scintrex CG-5 (février-mars et mai 2012)

360 stations de mesures et 6 bases (dont 4 absolues)

Doublement des mesures au niveau des bases et 50% des stations des prospects

contrôle statistique de la qualité des données

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Tomographie des résistivités électriques 4 dispositifs multi-électrodes N-S ( juin 2011) et E-W ( juin2012)

64 électrodes espacées de 35m, et 5m en roll-along dans la zone sommitale

Dispositifs utilisés : Wenner et Wenner-Schlumberger

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Tomographie muonique Modèle préliminaire (Campagne de la Grotte taillerie, 2011)

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Tomographie muonique Modèle préliminaire (Campagne de la Grotte taillerie, 2011)

• Grande hétérogénéité de l’ensemble de l’édifice

• Présence sous la zone sommitale d’un cœur dense

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Mesures gravimétriques Inversion des données avec GROWTH2.0 (Camacho et al., 2010 )

Erreur rms ~30%

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Mesures gravimétriques Inversion des données avec GROWTH2.0 (Camacho et al., 2010 ) Affinement des modèles avec GM-SYS

• Bonne corrélation entre anomalie de Bouguer observée (×××) et calculée (—)

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Mesures gravimétriques Inversion des données avec GROWTH2.0 (Camacho et al., 2010 ) Affinement des modèles avec GM-SYS

• Densité globale de l’édifice estimée à ~1,8.103 kg.m-3 (méthode de Nettleton)

• Unité dense (D1) entre 2,2-2,4.103 kg.m-3 sous la zone sommitale

• Formations de densité ~1,5.103 kg.m-3 de part et d’autre du cœur dense (D3, D6 et D8)

• Formations D2B, D5B et D7 peu denses (~1,4.103 kg.m-3) aux extrémité du modèles

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Mesures gravimétriques Inversion des données avec GROWTH2.0 (Camacho et al., 2010 ) Affinement des modèles avec GM-SYS

Cœur dense sous la zone sommitale (quelques centaines de m de profondeur)

Structures de faible densité autour du cœur dense (traces d’hydrothermalisme?)

Anomalie de faibles densités aux extrémités des modèles

anciens cônes stromboliens

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Tomographie des résistivités électriques Zone sommitale (espace inter-électrodes 5m)

• Structures anthropiques – Route – Temple de Mercure – Chemin de ronde (CR) – Chemin des Muletiers

Erreur rms 7,3%

Erreur rms 6,8%

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Tomographie des résistivités électriques Zone sommitale (espace inter-électrodes 5m)

• Structures superficielles de très fortes résistivités (ρ>8000Ω.m) • Structures de grande dimension 1500<ρ<8000Ω.m (R4 et R7)

• Environnement global de résistivités intermédiaires (500<ρ<1000Ω.m )

• Formations de faibles résistivités ρ<500Ω.m

• Structures anthropiques – Route – Temple de Mercure – Chemin de ronde (CR) – Chemin des Muletiers

Erreur rms 7,3%

Erreur rms 6,8%

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Tomographie des résistivités électriques Intégralité de l’édifice (espace inter-électrodes 35m)

Erreur rms 6,8%

Erreur rms 16,0%

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Tomographie des résistivités électriques Intégralité de l’édifice (espace inter-électrodes 35m)

• Formations très résistives et superficielles (ρ>8000Ω.m) -> R1, R3, R13 et R14

• Structures résistives à l’intérieur du dôme (1500<ρ<8000Ω.m) -> R8 et R15

• Zones de résistivités élevées en périphérie du dôme (R10, R11 et R16)

• Environnement à 500<ρ<1000Ω.m

Erreur rms 6,8%

Erreur rms 16,0%

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Tomographie des résistivités électriques Intégralité de l’édifice (espace inter-électrodes 35m)

Grande hétérogénéité de l’édifice

Carapace résistive de quelques mètres d’épaisseur sur les flancs

Unités résistives à l’intérieur du dôme

Roche massive et saine?

Zones de très faibles résistivités connectées en surface

Traces d’activité hydrothermale?

Unités de faibles résistivités aux extrémités des modèles qui coïncident avec d’anciens cônes stromboliens :

Puy Lacroix au sud Petit Puy de Dôme au nord Puy de Cornebœuf à l’est.

Erreur rms 6,8%

Erreur rms 16,0%

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Comparaison des modèles Interprétations

• Présence d’un cœur dense sous le sommet

Aucune contrepartie en terme de résistivité

• Les formations peu denses (~1,4.103 kg.m-3) aux

extrémités du modèles correspondent à des unités de faibles résistivités

Les 2 modèles mettent en évidence de la présence d’anciens cônes stromboliens

• L’unité de forte résistivité à l’intérieur du dôme

(R8) n’a pas de contrepartie en terme de densité • Les modèles de résistivités et la carte

d’atténuation des flux de muons suggèrent une forte hétérogénéité dans les 1ères dizaines de m à l’intérieur du dôme (moins évident dans le modèle de densité)

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Comparaison des modèles Problèmes

• Comparaison de grandeurs différentes qui ne

sont pas directement liées l’une par rapport à l’autre : densité et résistivité.

• Pertinence des modèles : utilisation de logiciels

commerciaux dont les caractéristiques d’inversion sont parfois délicates à contraindre.

• Résolution des modèles

Contexte géologique Méthodes Géophysiques Résultats Discussion

Conclusion

Premières conclusions sur la tomographie muonique • La muographie est une technique d’imagerie qui a fournit, dans le cadre de l’étude du Puy de Dôme, des

résultats pertinents.

• Ces données, confrontées aux données gravimétriques, ont prouvée l’efficacité de cette méthode et donc son intérêt à être utilisée pour la radiographie des édifices volcaniques.

• Le couplage de la muographie avec d’autres techniques d’imagerie comme l’ERT permet d’apporter des précisions sur les modèles et donc, par conséquent sur la géologie des structures étudiés.

Conclusion

Perspectives • Comparer la carte d’atténuation des flux de muons obtenue lors de la campagne du Col de Ceyssat (coupe

EW) aux modèles géophysiques existants.

• Mettre en place de nouvelles campagnes géophysiques (sismique, électromagnétisme,…) afin de comparer les résultats les uns par rapport aux autres

Valider la tomographie muonique comme une technique d’imagerie à part entière.

Premières conclusions sur la tomographie muonique • La muographie est une technique d’imagerie qui a fournit, dans le cadre de l’étude du Puy de Dôme, des

résultats pertinents.

• Ces données, confrontées aux données gravimétriques, ont prouvée l’efficacité de cette méthode et donc son intérêt à être utilisée pour la radiographie des édifices volcaniques.

• Le couplage de la muographie avec d’autres techniques d’imagerie comme l’ERT permet d’apporter des précisions sur les modèles et donc, par conséquent sur la géologie des structures étudiés.

Conclusion

Perspectives • Comparer la carte d’atténuation des flux de muons obtenue lors de la campagne du Col de Ceyssat (coupe

EW) aux modèles géophysiques existants.

• Mettre en place de nouvelles campagnes géophysiques (sismique, électromagnétisme,…) afin de comparer les résultats les uns par rapport aux autres

Valider la tomographie muonique comme une technique d’imagerie à part entière.

Plus loin • Regrouper l’ensemble de ces jeux de données au sein d’un processus d’inversion multi-paramètres

Contraindre au mieux les modèles géophysiques calculés.

Premières conclusions sur la tomographie muonique • La muographie est une technique d’imagerie qui a fournit, dans le cadre de l’étude du Puy de Dôme, des

résultats pertinents.

• Ces données, confrontées aux données gravimétriques, ont prouvée l’efficacité de cette méthode et donc son intérêt à être utilisée pour la radiographie des édifices volcaniques.

• Le couplage de la muographie avec d’autres techniques d’imagerie comme l’ERT permet d’apporter des précisions sur les modèles et donc, par conséquent sur la géologie des structures étudiés.

Merci de votre attention

Photo Soisson P.

Annexe 1

Dispositifs expérimentaux multi-électrodes

Wenner Wenner-Schlumberger

Géométrie

Pseudo-section

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

Sensibilité Verticale Horizontale et verticale

Dispositifs ERT utilisées pour les expériences de Puy de Dôme

Annexe 2

Schéma de principe de l’acquisition en roll-along

Loke, 2000

Loke, 2011

Annexe 3

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

Annexe 4

Coupes géologiques du Puy de Dôme (direction N-S)