Ecoute sismique de la propagation des dykes:

implications mécaniques

Piton de la Fournaise, 6 eruptions, 1 intrusion, 1988-1992Etna 2002

Miyakejima (Izu, Japan) 2000

Paola Traversa1, Jean-Robert Grasso1,2 and Valérie Ferrazzini2

Paris, 30 Janvier 2008

1 LGIT, Grenoble; 2 OVPF, La Réunion

Objectifs

Etudier la réponse sismique due au transfert de magma

• Identifier la proportion de sismicité liée aux processus volcaniques

• Caracteriser: taux de sismicité et taux d’énergie à partir des séries temporelles d’événements VT qui accompagnent l’intrusion (test PdlF)

• Reproductibilité de la réponse à une intrusion basaltique (test sur deux autres volcans)

• Implications mecaniques: dynamique d’une intrusion magmatique

Sismicité volcanique

• Liée à deux types de processus:• Dans le fluide (transport, thermodynamique...)• Dans la matrice solide: VT (changements de

contrainte)

Piton de la Fournaise 1988-2000, evolution temporelle avant éruption:

1. Augmentation moyenne en loi de puissance

2. Discontinuité brutale (20eqs/d>200eqs/h)

3. Crise sismique (essaim VT au-dessous du cone central z>0)

Collombet et al. [2003], Grasso & Zaliapin [2004], Aki & Ferrazzini [2000]

Possible fort taux constant pendant la dernière phase

Sismicité: volcanique vs tectonique

itt

i tN )(0

Sismicité décorrelée

Sismicité correlée

Loi d’Omori modifiée[Utsu et al., 1995; Helmstetter and Sornette, 2002]

• Activité de fond, modelisée par un processus Poissonien homogène

• Générée par un chargement externe

• Cas d’un volcan: déclenchée par processus volcaniques (changements de pression, transfert de masse)

• Séquence d’événements suivant un “mainshock” (“Cascade d’aftershocks”)

• Declenchée par interactions entre séismes

• Reproductible (modèle ETAS)

Sismicité: volcanique vs tectonique

pt1

Background

Correlated Uncorrelated

Sismicité tectonique / modèle ETAS:

1. Decroissance en loi de puissance du taux de sismicité aprés un “mainshock”

2. Retour au taux de fond

t0 ≡ occurrence du mainshock, defini comme un quelconque événement (independement de sa magnitude) pas précédé par un autre pendant un temps égal à la médiane entre les Δt

t > t0 sismicité suivant le mainshock (cascade d’aftershocks)

Occurrence du mainshock

PENDANT L’INTRUSION:

~ 99% de la sismicité qui suit un “mainshock” est decorrélée purement induite par les processus volcaniques bas niveau de bruit

Marsan [2007]

Données

• Piton de la Fournaise (1988-1992), 7 crises sismiques (durées: 0.5-4.5 h) dont 6 menant à une éruption. Séries temporelles extraites des signaux analogiques (Md no localisation).

• Etna (2002), crise précédant l’eruption du 27 Octobre 2002, durée: 6.3h

• Miyakejima (2000), essaim sismique accompagnant l’intrusion juin-juillet 2000, durée: 281.2h

Homogénéité de réponse sismique

58153199

345044

97

Activité cumulée pendant l’intrusion

• Pas d’accélérations ou décélérations, taux ~ constante

Fluctuations dues au sousechantillonage d’un processus de Poisson

Taux constant d’occurrence reproductible par un processus de Poisson homogène (moyenne constante)

Tirages aléatoires de la meme dimension que nos séries

!)(

x

exP

x

N (m≥mc)70

2145

N(m≥mc)

Taux d’énérgie

• Taux d’energie émis pendant l’intrusion: fluctuant autour d’une valeur moyenne, sans accélérations ni décélerations

Fluctuations compatibles avec celles qu’on obtien d’une loi de Gutenberg-Richter avec b constante.

Début injection Fin injection

Sismicité pendant le dyke• Taux de sismicité constant

• Taux d’energie constantIndépendents de:

• Durée (0.5 h à 11 jours)• Magnitude maximale (1.6 à 5.6)• Taille du dyke (~1km à 15 km)• Volume de lave émis

INTRUSION DU DYKE: PROCESSUS STATIONNAIRE INDEPENDENT DE L’ECHELLE

HETEROGENEITES A PETITE ECHELLE?

Taux d’endommagement constant

PROPAGATION DYKE ~ FLUAGE SECONDAIRE

Normalisation• Homogeneiser les catalogues pour enlever les biais induits

localement par les reseaux

• Rendre comparable les données

mbmcmcbNN

1010* *)(

INTR.

EQ DYKE

Duration (h)

Mmax bŇ

(eqs/day)b

(km)U

(m/s)Ň / S

(eqs/km2)Verup (*106

m3)

<P.F.> 0.5–4.5 1.6–2.6 0.9–1.4 4x103 <~1 0.2-2 4x103 0–30

ETNA 6.3 4.2 1.2 1.3x105 6.6 0.3 4.3x103 10

M.I. 281.2 5.6 1.6 4.6x106 15 0.032.4–

3.8x104 2800*

• Normalisation par: • magnitude de complitude mc = 0.2

• gamme de magnitude Δm

La geometrie du dyke controle les taux de sismicité et d’energie

La densité d’endommagement induite par l’intrusion est du meme ordre de grandeur pour P.F. et Etna (systèmes

ouverts). Plus importante pour M.I. (système fermé)

* Volume injecté selon Ito & Yoshioka (2002)

Experiences en labo• Analogie entre sismicité VT (rupture fragile de cisaillement

ou de tension dans l’édifice) et AE (rupture fragile génerée pendant experiences de chargement à l’echelle du labo)

• Experiences de labo• Tension (MODE I), papier• Défoliage (MODE I), papier• Fluage, roche

Peel-in-nip device, Salminen et al [2006]

Rubin [1995]

Experiments carried out by Helsinki University of Technology, Laboratory

of Physics (Finland)

Experiences en labo• Propagation du dyke: STATIONNAIRE

• En labo: stationnarité reproduite par expériences à déformation controllée chargement variable:

Tesile mode I en papier• Défoliage à déformation controlée• Tension mode I à déformation controlée• Fluage secondaire

Fluage secondaire en roche

Implications pour la propagation

PRESSION A L’ENTREE DU DYKE DIMINUE AU

COURS DU TEMPS

TAILLE FINIE DU RESERVOIR

TAUX D’INJECTION DU MAGMA

CONSTANT?

INTRUSION DU DYKE: STATIONNAIRE, POSSIBLE PROCESSUS A CHARGEMENT VARIABLE

),,,( 230

61 lMpU Rubin [1995]

Inconsistance?

Conclusions -1-

• Identification de la réponse sismique (VT) d’un volcan à une intrusion de magma:• Purement controlée par les processus

volcaniques (~completement décorrélée)• Taux de sismicité fort et constant • Taux d’énergie fluctuant autour d’une valeur

moyenne

• Intrusion est un processus stationnaire independent de l’echelle on ne resoud pas les heterogeneités à petite echelle

• Taux d’endommagement constant vitesse propagation constante: dé-accord avec la théorie?

Conclusions -2-

• Normalisation des catalogues:• Geometrie du dyke controlle la generation de

la sismicité et l’energie associée• Densité d’endommagement est du meme

ordre pour des systèmes ouverts alors que un système fermé nécessite plus d’énergie

• Comparaison avec expériences de labo dyke processus à chargement variable

• Taille finie du reservoir

Perspectives

• Comparison de la réponse sismique du Piton de la Fournaise aux intrusion magmatiques aprés 1998, extension des considerations?

• Comprension des mécanismes physiques impliqués dans la generation de l’activité: analyse de la sismicité induite par différentes processus pour contraindre le parametres rensponsables des specificités identifiées

• Modèles mécaniques de roches et fluides qui reproduisent les observations

• Application pour la prediction

Loi de Gutenberg-Richter

Miyakejima 2000 intrusion

b = 1.6

b

mc