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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
Problématique
Tomographie muonique / Muographie :
Muons atmosphériques
Roche
Détecteur
Calcul trajectoire + énergie initiale µ
CARTE COEFFICIENT ABSORPTION
Atténuation flux d’énergie
Inversion Monte Carlo
2
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
Roche
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
2
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
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
4
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
𝑰)
où k : facteur géométrique propre au dispositif
5
Acquisition selon les protocoles Wenner et Wenner-Schlumberger
II. Tomographie des résistivités électriques 1. Méthode
b. Acquisition des données
7
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
II. Tomographie des résistivités électriques 1. Méthode
b. Acquisition des données
7
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
Données électriques brutes
Logiciel Res2Dinv
Topographie Filtrage Concaténation
Pseudo-section (ρmes)
II. Tomographie des résistivités électriques 2. Traitements et inversion
Logiciel d’inversion Res2Dinv
8 D’après Loke, 2011
Données électriques brutes
Logiciel Res2Dinv
Topographie Filtrage Concaténation
Pseudo-section (ρmes)
Modèle en blocs
II. Tomographie des résistivités électriques 2. Traitements et inversion
Logiciel d’inversion Res2Dinv
8 D’après Loke, 2011
Données électriques brutes
Logiciel Res2Dinv
Topographie Filtrage Concaténation
Pseudo-section (ρmes)
Modèle en blocs
Choix des paramètres (limites ρ, itérations,…)
Processus d'inversion
II. Tomographie des résistivités électriques 2. Traitements et inversion
Logiciel d’inversion Res2Dinv
8
itératif
D’après Loke, 2011
Données électriques brutes
Logiciel Res2Dinv
Topographie Filtrage Concaténation
Pseudo-section (ρmes)
Modèle en blocs
Choix des paramètres (limites ρ, itérations,…)
Processus d’inversion
Modèle : ρapp-calc et ρvraie-calc
II. Tomographie des résistivités électriques 2. Traitements et inversion
Logiciel d’inversion Res2Dinv
8
itératif
D’après Loke, 2011
Données électriques brutes
Logiciel Res2Dinv
Topographie Filtrage Concaténation
Pseudo-section (ρmes)
Modèle en blocs
Choix des paramètres (limites ρ, itérations,…)
Processus d’inversion
Modèle : ρapp-calc et ρvraie-calc
II. Tomographie des résistivités électriques 2. Traitements et inversion
Logiciel d’inversion Res2Dinv
8
Comparaison
itératif
D’après Loke, 2011
Données électriques brutes
Logiciel Res2Dinv
Topographie Filtrage Concaténation
Pseudo-section (ρmes)
Modèle en blocs
Choix des paramètres (limites ρ, itérations,…)
Processus d’inversion
Modèle : ρapp-calc et ρvraie-calc Comparaison
RMS error>0,5%
II. Tomographie des résistivités électriques 2. Traitements et inversion
Logiciel d’inversion Res2Dinv
8
itératif
D’après Loke, 2011
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
9
a. Zone sommitale : profil à 5m
64 électrodes espacées de 5m
RMS ≈6%
Structures très résistives : ρ = 20 – 30 kΩ.m
Structures de résistivité
moyenne
II. Tomographie des résistivités électriques 3. Résultats et interprétations
9
a. Zone sommitale : profil à 5m
64 électrodes espacées de 5m
RMS ≈6%
Structures très résistives : ρ = 20 – 30 kΩ.m
Structures de résistivité
moyenne
Milieu à faible résistivité (ρ<5kΩ.m)
II. Tomographie des résistivités électriques 3. Résultats et interprétations
9
b. Structure interne du Puy de Dôme
64 électrodes espacées de 35m N-S : RMS ≈6%
E-W : RMS ≈ 20%
Structures superficielles très résistives
II. Tomographie des résistivités électriques 3. Résultats et interprétations
10
b. Structure interne du Puy de Dôme
64 électrodes espacées de 35m N-S : RMS ≈6%
E-W : RMS ≈ 20%
Structures superficielles très résistives
Formations profondes de
résistivité moyenne à forte
II. Tomographie des résistivités électriques 3. Résultats et interprétations
10
b. Structure interne du Puy de Dôme
64 électrodes espacées de 35m N-S : RMS ≈6%
E-W : RMS ≈ 20%
Structures superficielles très résistives
Formations profondes de
résistivité moyenne à forte
Milieu à résistivité faible (ρ<5kΩ.m)
II. Tomographie des résistivités électriques 3. Résultats et interprétations
10
• 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)
II. Tomographie des résistivités électriques 3. Résultats et interprétations
c. Interprétations préliminaires
11
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
𝐹
O
P
𝑅𝑇
III. Campagne gravimétrique de haute résolution 1. Méthode
a. Généralités
12
• 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
𝐹
O
P
𝑅𝑇
• Principe de la mesure Gravimètres relatifs Scintrex CG-5 (INSU-CNRS) Elongation ressort Estimation de la gravité relative
III. Campagne gravimétrique de haute résolution 1. Méthode
a. Généralités
12
• 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
III. Campagne gravimétrique de haute résolution 1. Méthode
b. Acquisition des données
13
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
14
Données brutes
Correction Luni-solaire/Terme de marée (attraction des astres)
Dérive instrumentale (fatigue du ressort)
III. Campagne gravimétrique de haute résolution 2. Traitements et inversion
b. Calcul de l’Anomalie de Bouguer
15
Données brutes
Correction Luni-solaire/Terme de marée (attraction des astres)
Dérive instrumentale (fatigue du ressort)
Correction de latitude (ellipsoïde de référence)
III. Campagne gravimétrique de haute résolution 2. Traitements et inversion
b. Calcul de l’Anomalie de Bouguer
15 Illustrations : Gailler, 2010
Données brutes
Correction Luni-solaire/Terme de marée (attraction des astres)
Dérive instrumentale (fatigue du ressort)
Correction de latitude (ellipsoïde de référence)
Correction à l’air libre (altitude station)
III. Campagne gravimétrique de haute résolution 2. Traitements et inversion
b. Calcul de l’Anomalie de Bouguer
15 Illustrations : Gailler, 2010
Données brutes
Correction Luni-solaire/Terme de marée (attraction des astres)
Dérive instrumentale (fatigue du ressort)
Correction de latitude (ellipsoïde de référence)
Correction à l’air libre (altitude station)
Correction de plateau (densité réelle)
Correction topographique (dépressions et reliefs)
III. Campagne gravimétrique de haute résolution 2. Traitements et inversion
b. Calcul de l’Anomalie de Bouguer
15 Illustrations : Gailler, 2010
• 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)
III. Campagne gravimétrique de haute résolution 2. Traitements et inversion
c. Choix de la densité de correction
16
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
III. Campagne gravimétrique de haute résolution 2. Traitements et inversion
17
Données corrigées
GRID3D
Grille 3D de la sub-surface
D’après Camacho et al., 2010
III. Campagne gravimétrique de haute résolution 2. Traitements et inversion
e. Logiciel d’inversion des valeurs d’Anomalie de Bouguer
18
Données corrigées
GRID3D
Grille 3D de la sub-surface
GROWTH2.0
Modèle 3D des anomalies de densité
D’après Camacho et al., 2010
III. Campagne gravimétrique de haute résolution 2. Traitements et inversion
e. Logiciel d’inversion des valeurs d’Anomalie de Bouguer
18
Tendance régionale, Résidus,…
Données corrigées
GRID3D
Grille 3D de la sub-surface
GROWTH2.0
Modèle 3D des anomalies de densité
VIEW
Modèles graphiques des solutions
Tendance régionale, Résidus,…
Données topographiques
D’après Camacho et al., 2010
III. Campagne gravimétrique de haute résolution 2. Traitements et inversion
e. Logiciel d’inversion des valeurs d’Anomalie de Bouguer
18
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
19
Structure centrale très dense d>2,3.103kg.m-3
Unités de densité entre 1,5 et 1,8.103kg.m-3
III. Campagne gravimétrique de haute résolution 3. Résultats et interprétations
a. Modèles de contraste de densité
19
Structure centrale très dense d>2,3.103kg.m-3
Unités de densité entre 1,5 et 1,8.103kg.m-3
Structures peu denses
(d<1,75.103kg.m-3)
III. Campagne gravimétrique de haute résolution 3. Résultats et interprétations
a. Modèles de contraste de densité
19
• 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
III. Campagne gravimétrique de haute résolution 3. Résultats et interprétations
b. Interprétations
20
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
21
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
23
IV. Discussion 3. Structure interne de l’édifice
Soubassement :
Cônes stromboliens antérieurs, totalement ou partiellement recouverts ?
24
IV. Discussion 3. Structure interne de l’édifice
Cœur dense
Faible résistivité
fracturation/microfracturation d’un dôme massif ?
24
IV. Discussion 3. Structure interne de l’édifice
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 ?
24
IV. Discussion 3. Structure interne de l’édifice
Milieu très hétérogène
Trace hydrothermalisme très actif + fracturation importante ?
24
IV. Discussion 3. Structure interne de l’édifice
24
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
25
• 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
26
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
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
6
Annexe 6