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Innovation technologique pour analyser, remédier ou réduire les risques environnementaux (DS0102)
Edition 2014


DIAPHANE


Imageries structurelle et fonctionnelle de volcans avec des rayons cosmiques

Imageries structurelle et fonctionnelle de volcans actifs avec des rayons cosmiques.
Réaliser des mesures continues à haute fréquence pour suivre l'augmentation d'activité d'un volcan de basse énergie.

Détecter les mouvements de masse et d'énergie au sein du dôme en relation avec l'évolution des zones actives au sommet.
Construction de modèles de la structure 3D en densité et en résistivité électrique du dôme. Plusieurs télescopes à muons cosmiques installés autour du dôme fournissent des radiographies sous différents angles à partir desquelles des reconstructions tomographiques 3D de la structure en densité sont réalisées. La recherche de signaux précurseurs concernant les sursauts d'activité des zones fumeroliennes et l'apparition de nouveaux centres actifs est un objectif majeur du projet.

Réalisation de mesures multi-physiques simultanées autour et sur le volcan
Le projet consiste à déployer plusieurs télescopes à muons cosmiques autour du dôme volcanique de la Soufrière de Guadeloupe. Un réseau de capteurs (géophones, sondes de température, électromagnétiques, acoustiques) sera installé au sommet du dôme afin de suivre l'évolution des zones actives (fumerolles). Five télescopes de grand gabarit sont installés au autour du dôme. Un sixième télescope de taille plus réduite est installé au fond de la faille du 30 août afin de suivre les variations de densité sous les zones actives du cratère sud et du gouffre Tarissan.

Résultats

1) Travaux méthodologiques sur l'inversion conjointe des radiographies par muons cosmiques et les données gravimétriques. Les données de tomographie par muons permettent d'améliorer la résolution de la structure en densité même dans des zones situées sous le champ de vision des télescopes : Jourde, K., Gibert, D., & Marteau, J. (2015). Improvement of density models of geological structures by fusion of gravity data and cosmic muon radiographies. Geoscientific Instrumentation Methods and Data Systems, 4, 177-188.

2) Monitoring de variations de densité en tomographie par muon. Mise au point d'une méthode pratique de correction des perturbations atmosphériques sur le flux de muons. Les résultats de cette étude font l'objet d'un article : Jourde, K., Gibert, D., Marteau, J., de Bremond d’Ars, J., Gardien, S., Girerd, C., & Ianigro, J. C. (2016). Monitoring temporal opacity fluctuations of large structures with muon radiography: a calibration experiment using a water tower. Scientific reports, 6. Des données muoniques acquises en 2014 lors d'une expérience de faisabilité ont permis de détecter d'importantes variations de densité dans la partie supérieure de la Soufrière, probablement causées par de la vapeur sous pression chassant l'eau liquide des réservoirs. Ce résultat est une première mondiale : Jourde, K., Gibert, D., Marteau, J., d'Ars, J. D. B., & Komorowski, J. C. (2016). Muon dynamic radiography of density changes induced by hydrothermal activity at the La Soufri\ere of Guadeloupe volcano. arXiv preprint arXiv:1606.03003.

3) Un modèle 3D de la distribution de conductivité électrique du dôme et de son soubassement permet de considérablement améliorer les scenarii de déstabilisation gravitaire: M. Rosas-Carbajal, J-C Komorowski, F. Nicollin, and
D. Gibert (2016) Volcano electrical tomography unveils edifice
collapse hazard linked to hydrothermal system
structure and dynamics, Scientific reports, sous presse.

Perspectives

À l'heure actuelle (février 2017), l'activité fumerolienne continue à s'étendre et à s'intensifier au sommet du dôme volcanique. Les cinq télescopes installés jusqu'à présent permettent de suivre les mouvements de masse qui ont lieu à l'intérieur de la partie sud du volcan. Afin de compléter la couverture tomographique vers le nord, un sixième télescope va être installé début mars par une équipe DIAPHANE. Les systèmes auxiliaires de mesure installés au sommet vont être complétés en équipant plusieurs fumerolles très puissantes.

Productions scientifiques et brevets

Jourde, K., Gibert, D., & Marteau, J. (2015). Improvement of density models of geological structures by fusion of gravity data and cosmic muon radiographies. Geoscientific Instrumentation Methods and Data Systems, 4, 177-188.

Jourde, K., Gibert, D., Marteau, J., de Bremond d’Ars, J., Gardien, S., Girerd, C., & Ianigro, J. C. (2016). Monitoring temporal opacity fluctuations of large structures with muon radiography: a calibration experiment using a water tower. Scientific reports, 6.

Rosas-Carbajal M, Komorowski JC, Nicollin F, Gibert D. Volcano electrical tomography unveils edifice collapse hazard linked to hydrothermal system structure and dynamics. Scientific reports. 2016;6.

Jourde K, Gibert D, Marteau J, de Bremond d’Ars J, Komorowski JC. Muon dynamic radiography of density changes induced by hydrothermal activity at the La Soufrière of Guadeloupe volcano. Scientific Reports. 2016;6.

Partenaires

GR Géosciences Rennes

IPGP Institut de Physique du Globe de Paris

IPNL Institut de Physique Nucléaire de Lyon

Aide de l'ANR 397 666 euros
Début et durée du projet scientifique octobre 2014 - 48 mois

Résumé de soumission

Les objectifs du projet DIAPHANE sont de développer et d'appliquer les méthodes de tomographie de densité utilisant les muons d'origine cosmique produits dans les gerbes atmosphériques. Les muons sont des particules élémentaires dont la faible section efficace leur permet de traverser plusieurs kilomètres de roche avant de se désintégrer. La tomographie en densité consiste à mesurer l'atténuation du flux de muons ayant traversé la roche et, ainsi, en déduire la quantité de matière rencontrée le long de leur trajectoire. Les 4 télescopes conçus et construits par notre équipe nous permettent ainsi d’échantillonner jusqu’à 2 km d’épaisseur de roche.

Compte tenu de notre expérience de la tomographie par muons, nous envisageons dans ce projet de dépasser cette première étape et de coupler cette technique à des mesures de gravité pour réaliser une étude détaillée de la structure et de la dynamique du système hydrothermal de la Soufrière de Guadeloupe et de Soufrière Hills à Montserrat. La Soufrière de Guadeloupe est un dôme de lave vieux de 500 ans, altéré par une intense activité hydrothermale. Soufrière Hills est un volcan actif en éruption avec des phases de construction et d’effondrement de dômes de lave et des explosions causées par des poches de gaz.

Les expériences proposées dans ce projet permettront d'aborder les questions suivantes:
• Construire un modèle 3D haute résolution (10-20m) de densité de la Soufrière de Guadeloupe pour déterminer le volume et le degré de confinement des réservoirs hydrothermaux superficiels susceptibles de produire des déstabilisations de flanc et des explosions phréatiques
• Produire un modèle préliminaire 3D de densité de Soufrière Hills pour mieux comprendre l’édification hétérogène des dômes de lave et contraindre les processus de déstabilisation.
• Effectuer le suivi spatio-temporel long-terme des variations de densité dans les réservoirs hydrothermaux superficiels en réponse aux forçages externes tels que les effets piston associés aux recharges d'aquifères et les variations de flux thermiques provenant du système hydrothermal profond. Des mesures du champ de pesanteur et un monitoring des zones actives au sommet seront réalisées en complément de La tomographie par muons.
• Suivre les variations de densité de Soufrière Hills pour comprendre l’initiation de la circulation hydrothermale et de l’altération dans un volcan jeune. Cette information unique pourra être extrapolée au dôme plus ancien de la Soufrière de Guadeloupe pour comprendre la genèse de sa structure hétérogène actuelle.

Les questions méthodologiques abordées dans ce projet bénéficieront à d’autres domaines d’application de la tomographie par muons : hydrologie et suivi d’aquifères, glissements de terrains, suivi de sites de stockage souterrain (CO2, air comprimé, déchets nucléaires) :
(1) Tomographie à distance de volumes kilométriques de roches.
(2) Imagerie différentielle et temporelle (assimilation de données).
(3) Tomographie à haute résolution de faibles épaisseurs de roche.
(4) Inversion conjointe avec d’autres données géophysiques.
(5) étude des gerbes atmosphériques de particules et mise au point de modèles de flux.

Le projet DIAPHANE repose sur une collaboration débutée en 2008 entre géophysiciens (IPG Paris et Géosciences Rennes) et physiciens de particules (IPN Lyon). Notre groupe est capable de réaliser toutes les étapes de la tomographie par muons : construction des télescopes, expériences de terrain sur des volcans (Etna, Soufrière de Guadeloupe, Mayon), modélisation, acquisition de données et inversion (Gibert et al., 2010 ; Lesparre et al., 2010, 2012a,b,c ; Marteau et al., 2012, 2014 ; Jourde et al., 2013). Ce projet renforcera la position de notre groupe comme l'un des deux au monde, avec celui du Professeur H. Tanaka au Japon, capables de réaliser des expériences de tomographie par muons à l'aide de télescopes autonomes et adaptés à des terrains très difficiles.

 

Programme ANR : Innovation technologique pour analyser, remédier ou réduire les risques environnementaux (DS0102) 2014

Référence projet : ANR-14-CE04-0001

Coordinateur du projet :
Monsieur Dominique Gibert (Géosciences Rennes)

 

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L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.