Imageries structurelle et fonctionnelle de volcans avec des rayons cosmiques – DIAPHANE

La méthodologie proposée utilise plusieurs méthodes complémentaires, dont certaines très innovantes. Nous avons mis au point une technique permettant de radiographier la Soufrière à l'aide de muons cosmiques pour voir les zones moins denses que sont les poches de vapeur. Pour cela, nous avons conçu et fabriqué des télescopes qui ont été disposés autour du volcan pour mesurer le flux de muons qui le traversent.
Quand une poche de vapeur se forme, le flux de muons augmente car il y a moins de matière pour les stopper à l'instar des radiographies médicales où les poumons apparaissent plus clairs. Nous avons aussi installé un réseau de mesure du bruit sismique pour écouter les vibrations causées par la vapeur et nous avons mesuré la température dans les fumerolles les plus actives. L'ensemble des données recueillies permet de détecter et de localiser les poches de vapeur qui apparaissent à l'intérieur du dôme.

La mise en oeuvre de notre dispositif sur la Soufrière de Guadeloupe a permis de valider le principe de la méthode et de mettre en évidence des phénomènes rapides tels que la formation de poches de vapeur. Par exemple, en mars 2017, nous avons observé la mise en place, en deux jours, d'une poche de vapeur qui a produit un bruit sismique et
des variations de température dans les fumerolles. Ces données, combinées aux radiographies ont permis de localiser précisément la vapeur dans le secteur du gouffre 56 à faible profondeur sous le sommet du dôme volcanique. Les télescopes ont aussi permis de réaliser un scanner complet du dôme qui est une structure très hétérogène comportant plusieurs zones très altérées et faible résistance mécanique.

Les résultats obtenus durant le projet DIAPHANE ont permis de mettre au point des capteurs et de définir une méthodologie d'acquisition et de traitement de l'information dont l'aboutissement constitue l'article de Le Gonidec et al. [7]. Cet article est un preuve de concept et représente les perspectives d'applications de nos méthodes à la surveillance volcanologique. À l'issue du projet DIAPHANE, trois télescopes à muons vont être intégrés au réseau de l'observatoire volcanologique de la Soufrière et le dispositif de capteurs dans les zones fumeroliennes va être renforcé.

Le projet DIAPHANE a permis des progrès méthodologiques et des avancées en volcanologie. Ces résultats font l'objet d'articles pour la plupart disponibles gratuitement sur les sites des éditeurs. Des articles concernent les méthodes d'analyse et de modélisation des données et plusieurs articles présentent les résultats des expériences réalisées sur la Soufrière .

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.