Ecoute sismique de la propagation des dykes: implications mécaniques
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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