Structure, fonctionnement, propriétés d'un système magmatique actif

superficiel:

Tomographie de résistivité électrique du cratère Halema`uma`u

(Kilauea, Hawaii)

J.-F. Lénat, L. Gailler, J. Kauahikaua , A. Revil, A. Finizola, E. Delcher

ObjectifsProblématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers

Accéder en champ proche au système magmatique Lacs de lave actifs = véritable fenêtre sur la colonne magmatique (Tazieff, 1994; Tilling and Peterson, 1993), analogues des systèmes profonds  Etudier les propriétés magmatiques et processus (convection magmatique, dégazage,…) fondamentaux dans la compréhension du volcanisme  Etudier la structure interne des édifices, les relations avec les structures environnantes

1- Compréhension du système magmatique 2- Quantification des propriétés physiques macroscopiques des magmas

Véritables challenges en volcanologie

Le cratère Hale’mau’mau (Hawaii)

2008: ouverture d’un évent dans la caldera sommitale du Kilauea, colonne magmatique oscillante Site exceptionnel accessible favorable à l’étude de la structure et de la dynamique magmatique  Piston de lave superficiel (~200m): opportunité unique d’étudier en détail le système magmatique

Mieux comprendre la formation du système ainsi que son évolution  

Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers

1- Radiographie par tomographie de résistivité électrique pour appréhender : - structures superficielles (géométrie du conduit magmatique) - interactions système magmatique - structures environnantes (système hydrothermal, failles d'effondrement, …) - caractéristiques des sources mises en jeu (variations de flux magmatique, dégazage, propriétés macroscopiques du magma) 2- Etudier les propriétés macroscopiques d’un système actif en champ proche 

Synergie des approches et des interprétations issues de plusieurs types d’observation 

Objectifs du projetProblématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers

Conduire une étude géophysique haute résolution focalisée sur ce site exceptionnel où le magma affleure

Signaux acoustiques (Fee et al., 2010) et sismiques (Chouet et al., 2010; Dawson et al., 2010)

Source sismicité VLP à 1 km sous la caldera, 500 m au N-NE du nouveau cratère système hydrothermal superficiel

A faible profondeur (~500 m): sismicité LP au sein de la caldera (Almendros et al., 2001) flux de magma instable et persistent au sein d’un complexe de sills et de dykes

Source de la sismicité très longue période (surface bleue ; Dawson et al., 2010). La

projection de ce volume et du centroïde de la source est représentée par les régions en ombré gris et points blancs (ouest, nord et

base de la perspective). L’étoile rouge localise le nouvel évent au sud-est de

Halema`uma`u. SL : sea level.

Etat des connaissances

Cette source, délocalisée vers le NNE, doit faire l’objet d’une attention particulière pour assurer la compréhension du système dans son

ensemble

Nombreux jeux de données (gravimétrie continue, déformation, sismique, imagerie…) 

Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers

Gravimétrie continue (Carbone et al., 2013) 1ère détermination de la densité d’un lac de lave:

950±300 kg m-3

très riche en gaz, expliquant les explosions engendrées par les éboulements de parois dans le lac sommital

+ de la moitié du volume de lave était occupé par des gaz exsolvés (mars 2011) aléas significatifs en cas de perturbation du système (Orr et al., 2013)  a) Section schématique (d’après Orr et al.,

2013) du cratère Halema`uma`u, montrant la forme de l’évent déduite des observations

visuelles. b) Modèle 3D de l’évent (252 blocs de 10 x 10 m) proposé par Carbone et al. (2013) pour l’étude de la densité du lac

de lave.

Etat des connaissances

Etude à compléter par la quantification d’autres propriétés physiques

Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers

  Différents profils électriques (dispositifs multi-électrodes ) image haute résolution de résistivité électrique continue des formations (400-500 m de pfd)

Résistivité des roches variable (saturation en fluides, présence de minéraux hydratés, température)  Instrumentation disponible au LMV: dispositif mi-lourd ABEM SAS 4000

Equipement similaire disponible au Colorado School of Mines (André Revil)

Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers

Tomographie de résistivité électrique

5 profils principaux (1.5 à 2.5 km de long)

2 profils additionnels au S de l’évent et dans le secteur des signaux BF au N  2 séries d’acquisitions : - espacement inter- électrodes de 40 m ou 20 m, selon l'équipement  (LMV ou CSM) - espacement de 5 ou 10 m, avec des profils en "roll-along" d’une partie du dispositif

Contraindre la résistivité des structures superficielles, tout en assurant une couverture continue des terrains profonds

Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers

Tomographie de résistivité électrique

  Sondages électromagnétiques - TDEM (Time Domain Electromagnetic)- TDEM hautement portable (TEMFAST 48) disponible au LMV - sondages (15 à 20 par jour; 100-300 m de pfd)

  Polarisation spontanée- approche hydrogéologique complète de cette zone à fort dégazage- 4 profils de 1 à 2 km de long (principaux profils de tomographie électrique)  MT et CSAMT- projet de campagne MT et CSAMT supervisé par Erin Wallin (HIGP) en développement sur le cratère

Contraindre et étendre rapidement la couverture des mesures de tomographie électrique dans la caldera

Compléter cette approche pour assurer une étude géophysique détaillée

Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers

Données géophysiques complémentaires

3D resistivity tomogram and its interpretation of La Fossa di Vulcano using the log of the electrical

conductivity (vertical exaggeration 2:1) (Revil et al., 1993).

Stromboli volcano (Finizola et al., 2010)

Yasur volcanoChaput, 2009)

Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers

Résultats attendus

Modèles de distribution des résistivités calculés à partir de modélisations inverses (Res2Dinv (Loke, 2010)) pour chaque profil 

Modèles de distribution des résistivités calculés à partir de modélisations inverses (Res2Dinv (Loke, 2010)) pour chaque profil

L’implantation proposée permettra de dériver une image partielle en 3D (selon la densité des données) de la caldera (Res3DInv)

 

Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers

Informations cruciales pour contraindre la structure du nouvel évent, ses relations avec le cratère Halema`uma`u

Résultats attendus

Quantification de la résistivité du magma in situ

 

L'importance de réaliser cette étude rapidement est liée à l'opportunité qu'offre l'activité actuelle du Kilauea pour étudier un système magmatique en champ proche

Collaborations avec l’Hawaiian Volcano Observatory (USGS, J. Kauhahikaua) et le Colorado School of Mines (CSM, A. Revil) et l’Université de la Réunion (LGR, A. Finizola, E. Delcher)

 

-Densité des études menées sur ce phénomène au Kilauea-Site exceptionnel, activité permanente et superficielle

Etude en champ proche du magmaValorisation et impact garantis

Diffusion scientifique et publications

Résultats attendusProblématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers

Nom Prénom Laboratoire Rôle dans le projet % participation

Kauahikaua Jim (Dr)

HVO, Hawaii Supervision sur site 20

Eric Delcher (IE)

LGSR-IPGP, Réunion Instrumentation 30

Revil André (Prof.)

CSM, Illinois Méthodologie et instrumentation 40

Finizola Anthony (McF)

LGSR-IPGP, Réunion Instrumentation et acquisition des données 50

Lénat Jean-François (Phys.)

LMV, Clermont-Fd

Acquisition, traitement et interprétation 80

Gailler Lydie (Post-doc)

LMV, Clermont-Fd

Ensemble des actions 100

Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers

Moyens humains

+ Bénévoles issus du programme de volontariat en place à l’HVO

Manip Moyens humains Durée

Tomographie électriques

10-15 personnes 15 à 21 jours

TDEM 2 personnes 3 jours

PS (fac) 2 personnes 4 jours

Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers

Calendrier de mission

Soit ~1 mois de mission+ Observations de terrain complémentaires

Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers

Budget prévisionnel

Contribution au transport de matériel sur site (Clermont – Ferrand ou Colorado - Hawaii)

1000

Frais de terrain (piles, accessoires divers, carburant, bentonite, …) 2000

Fonctionnement

2 A/R avion Clermont-Ferrand - Hawaii 3000

Contribution hébergement-nourriture pour 2 personnes, 4 semaines 3000

Contribution hébergement-nourriture pour 2 personnes, 2 semaines 1500

Participation à la location d'un véhicule 4x4 1500

Frais de Missions

USGS (U.S. Geological Survey) 5000

CSM (Colorado School of Mines) 1000

LGSR (Laboratoire de GéoSciences de la Réunion) 1500

Labex ClerVolc (45 %)

Co-financements (55 %)