Analyse InSAR des déformations de volcans actifs : le Piton de la Fournaise (Réunion) et Llaima (Chili)

InSAR analysis of ground deformation at active volcanoes : piton de la Fournaise (Reunion) and Llaima (Chile)

• Auteur / Autrice : Yu Chen
• Direction : José Darrozes, Dominique Rémy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et des planètes solides
• Date : Soutenance le 16/03/2017
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de l’univers, de l’environnement et de l’espace (Toulouse)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Imagerie satellitaire

Chili

Volcans

Volcans -- Réunion

Mots clés libres

InSAR

Déformation de volcan

Piton de la Fournaise

Llaima

Séries temporelles InSAR

Correction de artefact InSAR

Délai de phase troposphérique

Subsidence de coulées de lave

Mouvement de flanc de volcan

Résumé

Les études des déformations de surface en relation avec l'activité volcanique permettent de quantifier les phénomènes de transfert de magma qui s'opèrent dans les structures superficielles et profondes d'un édifice volcanique. Ces études s'appuient essentiellement sur l'utilisation de séries temporelles acquises par des réseaux de récepteurs GNSS installés sur les flancs de l'édifice volcanique et sur l'utilisation d'images acquises par des satellites équipés de capteurs à ouverture de synthèse. Les objectifs de ce travail ont été de mettre en œuvre sur deux des volcans les plus actifs du monde des méthodes numériques pour détecter, analyser et interpréter les déformations du sol associées à l'activité. Sur le Piton de la Fournaise, nous avons analysé l'évolution spatiale et temporelle du champ de déplacement entre l'éruption historique d'avril 2007 et octobre 2014 à partir de l'analyse de mesures continues acquises par les stations GNSS et de longues séries temporelles d'images radar Cosmos-Skymed et TerraSAR acquises en bande X. Pour le traitement des données radars, nous avons adopté une approche classique qui exploite la redondance d'information dans les interférogrammes et nous avons mis en œuvre une méthode originale de correction des effets troposphériques reposant sur la décomposition des signaux radars en valeurs singulières. La complexité spatiale et temporelle du champ de déplacement obtenu indique qu'une partie importante de l'édifice volcanique est affectée par des déformations d'origines diverses qui se superposent spatialement et temporellement. Ainsi, on observe des processus de subsidence qui ne s'accompagnent pas de déplacements horizontaux sur les coulées de lave récentes. Nous montrons qu'il existe une relation linéaire entre cette subsidence et l'épaisseur de la coulée et que son amplitude décroit avec le temps. Ces relations nous permettent de construire une loi empirique pour estimer la contribution de ce processus dans le champ de déformation. Nous observons également que le cône central subside de manière persistante durant la période étudiée. Nous interprétons cette subsidence comme l'expression d'une relaxation des contraintes provoquée par l'effondrement de plus de 350 m du Dolomieu survenu lors de l'éruption d'avril 2007. Enfin, nous montrons qu'une large partie du flanc est de l'édifice volcanique est affectée d'un mouvement lent le long de la pente entre 2007 et 2014. L'absence d'évidences sur la structure et sur la rhéologie de l'édifice nous amène à explorer différentes hypothèses pour expliquer l'origine de ce glissement qui pourrait être contrôlé par les propriétés frictionnelles des roches le long d'un ou de plusieurs plans de faille, ou bien être l'expression d'une déformation ductile dépendante de la viscosité du milieu. Le Llaima est un large strato-volcans andin dont les processus de déformations sont mal compris à cause principalement de la complexité de son mode de fonctionnement mais, également, aussi par l'absence de réseaux d'observation au sol. Dans ce contexte, les potentialités des données radar pour le suivi des déformations de surface de ces volcans constituent un intérêt scientifique majeur.

We address in this dissertation the use of Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) to measure and characterize the ground surface deformation at two volcanoes - Piton de la Fournaise (La Réunion Island, France) and Llaima (Chile). For Piton de la Fournaise, we analyzed the spatial pattern and temporal evolution of the ground displacement between the historical March-April 2007 eruption and October 2014, based on continuous measurements recorded by GNSS stations and X band COSMO-SkyMed and TerraSAR-X/TanDEM-X time series analysis. For the processing of radar data, we adopted a classical InSAR time series approach that exploits the information redundancy in the interferograms and we implemented an original method for correcting artifacts based on the principal component decomposition. The spatial and temporal complexity of the obtained deformation field indicates that an important part of the volcanic edifice is affected by deformations of various origins that overlap spatially and temporally. We observe also subsidence processes that are not accompanied by horizontal displacements in recent lava fields. We show that there exists a linear relationship between the subsidence and the thickness of lava and that the amplitude of subsidence decreases with time. These relationships allow us to construct an empirical law to estimate the contribution of post-lava emplacement process in the deformation field. We also observe that the Central Cone subsides persistently during the study period. We interpret this subsidence as the expression of a relaxation of the stresses caused by the Dolomieu collapse during the March-April 2007 eruption. Finally, we show that a widespread time-dependent moving sector on the Eastern Flank is affected by downslope motion during the 2007-2014 period. The uncertainties on both the structure and rheology parameters of the edifice leads us to explore different hypotheses to explain the origin of this flank motion which could be controlled by the frictional properties of the rocks along one or more fault planes, or be the expression of a dependent ductile deformation of the viscosity of the medium. Llaima is a large Andean stratospheric volcano whose deformation processes are poorly understood not only because of the complexity of its functioning mode but also because of the absence of observation networks on the ground. In this context, the potential of radar data for monitoring the ground deformations of these volcanoes is a main scientific interest. However, the complex environment conditions (steep slopes, snow- or ice-capped summit, dense vegetation cover, and strong tropospheric artifacts) and limited amount of available radar data make it challenging to accurately measure ground displacement with InSAR.