Dynamique thermique des systèmes hydrothermaux

Hydrothermal system thermodynamics

• Auteur / Autrice : Sophie Pailot-Bonnétat
• Direction : Andrew Harris
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Structure et évolution de la terre et des autres planètes
• Date : Soutenance le 07/06/2024
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne (2021-...)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Magmas et Volcans
• Jury : Président / Présidente : Timothy Druitt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lydie-Sarah Gailler, Séverine Moune, Loÿc Vanderklyusen, Letizia Spampinato
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Ivan Vlastélic, Alessandro Aiuppa

Mots clés

Mots clés contrôlés

Volcanologie

Bouches hydrothermales

Mots clés libres

Systèmes hydrothermaux

Flux de chaleur

Télédétection spatiale

Perméabilité

Unrest

Emissivité

Hydrothermal systems

Heat Flux

Remote Sensing

Permeability

Unrest

Emissivity

Résumé

Lors de l''évaluation des bilans énergétiques globaux associés au volcanisme, et en particulier les flux de chaleur, seule la chaleur libérée pendant les phases éruptives a été prise en compte. Il y a cependant une immense quantité de chaleur émise passivement dans les systèmes volcaniques entre les éruptions, en particulier dans les systèmes hydrothermaux actifs. Dans ces systèmes, l'émission passive de chaleur est continue et généralisée et, en tant que telle, peut représenter un pourcentage important du flux de chaleur global attribué au volcanisme. Dans les systèmes hydrothermaux volcaniques, la production de chaleur en profondeur résulte du refroidissement d'un corps magmatique et/ou de l'ascension de fluides chauds. Le gradient thermique entre la source de chaleur et la surface est à l'origine de la convection des fluides dans le système hydrothermal, où l'eau d'origine volcanique et les éléments volatiles se mélangent aux eaux souterraines qui s'infiltrent dans le système. L'augmentation du flux de chaleur au-dessus du système hydrothermal entraîne une anomalie thermique à la surface entre le sol chauffé par la géothermie et le sol environnant non chauffé. L'intensité et l'extension spatiale de l'anomalie thermique peuvent être utilisées pour contraindre le flux de chaleur. Ce sont aussi des indicateurs pour comprendre l'état du système hydrothermal et déterminer si le système est en train d'entrer en phase d'unrest ou non.Dans cette thèse, j'utilise un réseau de capteurs de température installés dans le cratère du volcan La Fossa (Italie), combiné à des données infrarouges thermiques dérivées de capteurs satellitaires, pour estimer la taille et l'intensité de l'anomalie thermique et donc le flux de chaleur. J'évalue la signature thermique de La Fossa avant et pendant une période d'unrest qui a débuté mi-2021. Ces données terrestres et satellitaires ont été utilisées pour inverser un modèle de transfert de chaleur afin de calculer et de suivre les changements de perméabilité avant, pendant et après l'unrest. Pendant l'unrest, la perméabilité a augmenté de trois ordres de grandeur, passant de 10-10 à 10-7 au cours de l'année 2021, avant de revenir aux niveaux antérieurs à la période d'unrest en 2022. Je compare également les modèles de flux de chaleur secs et humides pour les systèmes hydrothermaux en utilisant des données au sol et par satellite pour Nisyros (Grèce) et Poas (Costa Rica). Je constate que les paramètres essentiels pour évaluer le flux de chaleur dans les systèmes secs sont la pression de vapeur et la température de l'air, ainsi que leur variation au cours d'une journée solaire, tandis que dans les systèmes humides, les principaux facteurs sont la pression de vapeur et la vitesse du vent, qui contrôlent l'évaporation. Je constate que les différences d'émissivité entre les différents types de surface peuvent influencer l'anomalie thermique de quelques degrés centigrades, ce qui est significatif pour une anomalie thermique de faible amplitude comme celle que l'on trouve au-dessus des systèmes hydrothermaux. De même, la présence de vapeur d'eau dans la couche atmosphérique proche du sol peut avoir un impact comparable sur l'anomalie thermique.Le travail réalisé dans cette thèse permet de passer en revue l'ensemble des paramètres à prendre en compte pour calculer le flux de chaleur dans les systèmes hydrothermaux et de comparer un système à un autre. Compte tenu des variations diurnes du flux de chaleur défini dans cette thèse, des mesures ponctuelles effectuées à différents moments de la journée peuvent être replacées dans le contexte des cycles journaliers d'émission de chaleur. La prochaine étape consistera à utiliser ces méthodologies pour établir un inventaire complet des flux de chaleur globaux associés aux systèmes volcaniques actifs

In terms of assessing global energy budgets associated with volcanism, and in particular heat flow, typically only that released during eruptive phases has been considered. There is however an immense release of heat passively at volcanic systems between eruptions especially at active hydrothermal systems. At such systems, passive heat release is continuous and widespread, and as such potentially accounts for a significant percentage of the global heat flux ascribed to volcanic activity. At volcanic hydrothermal systems, heat generation at depth is the result of cooling of a magmatic body and/or ascent of hot fluids. The thermal gradient between the heat source and the surface is what sets in convection of fluids into the hydrothermal system where volcanic water and volatiles mix with groundwater infiltrating into the system. The enhanced heat flux above the hydrothermal system results in a thermal anomaly at the surface between the geothermally heated ground and surrounding ambient non-heated ground. The intensity and spatial extension of the thermal anomaly can be used to constrain heat flow, it is also a proxy for understanding the state of the hydrothermal system and determining whether or not the system is moving into unrest.In this thesis, I use a network of temperature sensors installed in the crater of La Fossa Vulcano (Italy), combined with satellite sensor-derived thermal infrared data, to estimate the size and intensity of the thermal anomaly and thus the heat flow. I assess the thermal signature of La Fossa before and during an unrest period which started in the second half of 2021. These ground- and satellite-based data were used to invert a heat transfer model to calculate and track the changes in permeability before, during and after the unrest. During unrest, permeability increased by three orders of magnitude from 10-10 to 10-7 during 2021, before reverting to pre-unrest levels by 2022. I also compare dry and wet heat flux models for hydrothermal systems using ground- and satellite-based data for Nisyros (Greece) and Poas (Costa Rica). I find the critical parameters in assessing heat flux at dry systems is vapour pressure and air temperature, and their variation during a solar day, and at wet systems the main drivers are vapour pressure and wind which control evaporation. I find that differences in emissivity between different surface types can influence the thermal anomaly by a few degrees centigrade, which is significant for a low amplitude thermal anomaly such as found above hydrothermal systems. Similarly, the presence of water vapor in the near-ground layer of the atmosphere can have a comparable impact on the thermal anomaly.The work carried out in this thesis is used to complete a review of all parameters needed to be taken into account in order to calculate heat flux at hydrothermal systems and how to compare one system with another. Given diurnal variations in the heat flux defined in this thesis, punctual measurements made at different times of the day can be set in the context of daily cycles of heat emission. The next step will be to uise these methodologies to build a complete inventory for global heat fluxes associated with active volcanic systems.