Mise au point d'une méthode de tomographie utilisant les muons d'origine cosmique : Applications au laboratoire souterrain du Mont Terri et au volcan de la Soufrière de Guadeloupe

Development of a tomographic method using cosmic ray muons : application to the Mont Terri underground laboratory and the volcano of la Soufrière de Guadeloupe

• Auteur / Autrice : Nolwenn Lesparre
• Direction : Dominique Gibert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique
• Date : Soutenance en 2011
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Soufrière, La (Guadeloupe ; volcan)

Géophysique

Télescopes

Rayonnement cosmique

Muons

Tomographie sismique

Résumé

Les muons sont produits suite aux interactions de particules cosmiques avec l'atmosphère. La faible probabilité d'interaction des muons avec la matière leur permet d'atteindre la croûte terrestre et d'en traverser les premiers kilomètres. L'étude de l'atténuation du flux de muons permet alors d'obtenir une mesure directe de l'opacité de la roche. Cette opacité correspond à la masse volumique du milieu, intégrée le long du trajet parcouru à travers la roche. Il est donc possible de réaliser une tomographie d'objets géologiques. Un modèle de flux de muons souterrain est construit ici à partir de modèles de flux estimés en surface et d'un modèle d'atténuation à travers la roche. Il est nécessaire d'évaluer le temps minimal d'acquisition de données pour réaliser une tomographie. Une équation de faisabilité de la méthode est établie, elle dépend de l'objet étudié ainsi que de la capacité de détection du capteur utilisé. Des télescopes à muons ont été construits et conditionnés pour supporter une installation sur le terrain. Nous avons développé la modélisation de leur capacité de détection et de leur résolution angulaire et également mis au point une méthode de calibration permettant de corriger le signal d'une éventuelle distorsion. Le développement de cette nouvelle méthode de tomographie géophysique est ensuite illustrée de deux exemples d'applications. Les mesures réalisées dans le laboratoire souterrain du Mont Terri nous ont permis de bénéficier de conditions d'acquisition stables pour perfectionner la construction des télescopes et valider les différents modèles. Un second détecteur a ensuite été installé sur les flancs de la Soufrière de Guadeloupe.

Muons are produced by the interaction of cosmic rays with the atmosphere. Their low interaction probability with matter allows them to reach and cross the first kilometers of the Earth crust. The study of the muon flux attenuation allows to obtain a direct measurement of the rock opacity. This opacity corresponds to the media density, integrated along the muon path through rock. It is then possible to realise geophysical tomographies of geological objects. An underground muon flux model is developped herein from flux models estimated at surface and a model of muon flux attenuation through rock. It is necessary to evaluate the minimum time of data acquisition to realise a tomography, from the muon flux estimation and the a priori geological knowledge of the media. A feasability equation of the method is established, it depends on the studied object and on die detection capacity of the sensor used. Muons sensors have been built and conditionned to bear field installation. We developped the modelisation of their detection capacity and angular resolution as well as a calibration method to correct the signal from any distorsion. The development of this new tomographic method is then illustrated by two geophysical applications. The measurements realised in the Mont Terri underground laboratory (Switzerland) allowed us to benefit from stable acquisition conditions to perfect the telescopes construction and validate the different models. A second sensor has been placed later on la Soufrière de Guadeloupe flanks (West Indies). The density tomography allows to improve the knowledge of the internal structure in order to better estimate the hazards of this dangerous volcano.