VERS UNE COMPRÉHENSION DES MÉCANISMES DE TRANSPORT DE MAGMA ET DE STOCKAGE AVANT LES ÉRUPTIONS EXPLOSIVES PAR INTERFÉROMÉTRIE SISMIQUE ET ÉTUDE DE LA DÉFORMATION

par Alexander Yates

Projet de thèse en Terre Solide

Sous la direction de Philippe Lesage et de Corentin Caudron.

Thèses en préparation à Chambéry , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (laboratoire) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    Les volcans sont aujourd'hui mieux surveillés qu'au siècle passé. Pourtant, les éruptions explosives, demeurent énigmatiques et difficiles à prédire1, contrairement aux éruptions effusives qui émettent de larges quantités de magma à la surface et sont plus facilement prévisibles. Certaines éruptions explosives semblent déclenchées par des injections de magma ou la saturation en volatiles, alors que d'autres se produisent suite à l'effondrement d'un dôme de lave, sans signature caractéristique les précédant1. La déformation et la sismicité constituent les paramètres classiques pour surveiller un volcan. Depuis une dizaine d'année, l'interférométrie sismique a permis de détecter des changements ténus dans les propriétés élastiques de la croute terrestre s'ajoutant aux potentielles méthodes de surveillance en temps réel dans les observatoires volcaniques et permettant des avancées considérables en volcanologie. Malgré des résultats encourageants, les applications de cette méthode à divers volcans ont révélé des résultats compliqués, avec des variations de vitesse parfois opposées observées pour un même édifice volcanique2. Notre compréhension est actuellement limitée par (1) l'absence de traitement standardisé des données de différents volcans (2) la disponibilité de paramètres complémentaires pour interpréter les observations. Parmi ces données complémentaires, les mesures de déformation du sol permettraient de mieux comprendre les variations de vitesse sismiques comme récemment montré par Donaldson et al.3,4 ; les inflations/déflations du volcan s'accompagnant souvent de changements de vitesse sismique. Ces données de déplacements peuvent être extraites par interférométrie SAR de données spatiales avec une résolution de l'ordre de la dizaine de jours5, lorsqu'elles ne sont pas directement mesurées au sol. Grâce à l'explosion de données sismiques disponibles, nous proposons d'étudier 15 volcans. Nous avons sélectionné des données sismiques de haute-qualité avec des données de déformations disponibles, mesurées par GPS ou extraites de traitement de données InSAR. Ce travail couplé permettra de mieux comprendre la genèse de ces éruptions explosives. Il mettra en lumière les mécanismes de transport de magma et de stockage afin de mieux comprendre les éruptions explosives et de permettre leur surveillance en temps réel.

  • Titre traduit

    Uncovering the mechanisms of magma transport and storage prior to explosive eruptions using seismic interferometry and deformation


  • Résumé

    Volcanoes are now better monitored and understood than in the last century. Despite this, explosive eruptions, as opposed to effusive eruptions that passively extrude large amounts of magma at the surface, remain particularly challenging. These explosive eruptions continue to cause substantial loss of life (e.g., 2018 Fuego, >400 victims) and huge economic impacts (e.g., the 2010 Eyjafjallajökull and 2017 Agung respectively causing 5 billion and 800 million of US dollars loss). Some explosive eruptions appear to be triggered by magma injections or volatile saturation (i.e., a bottom-up processes) whereas others start following dome unloading (i.e., a top-down process). The preparatory processes, the precursors and intensity remain poorly known; some explosive eruptions are preceded by ground deformation without any clear seismic activity while others occur following acceleration in seismic activity without any deformation5. Deformation and seismicity are the key features to detect reawakening of a volcanic system. Seismic interferometry has been used for the last decade to measure subtle changes in the elastic properties of the subsurface, e.g., aseismic volcanic conduit formation. Results are however complicated and sometimes showing opposite velocity variation patterns2. Improved understanding of explosive eruptions requires (1) a controlled and standardised data processing using high-quality local seismic networks (<20 km) and (2) complementary observations. Among them the most complementary parameter is the ground deformation. Volcano inflation or deflation can be accompanied by cracks opening/closing that in turn decrease/increase seismic velocities. Inflation is due to pressure increase by magma inflow or crystallization6 while deflation can be caused by magma withdrawal, thermal contraction or gas loss7. When not available from ground instruments, centimetre-scale displacements of the Earth's surface can be derived from space using interferometric SAR (InSAR) that measures the change in phase between time-separated radar images7 with a temporal resolution that can reach 6 days for many volcanic areas (12 days elsewhere). The comparison of InSAR with seismic interferometry holds great promise to investigate the genesis of explosive eruptions, as for example small erupted volumes (VEI<3) at stratovolcanoes take place without generating measurable deformations8 but could induce seismic velocity changes. Donaldson et al.3,4 for example recently reconciled contrasting velocity observations by considering the depth of deformation that would control the seismic velocity patterns observed at the surface. Various monitoring data, such as continuous seismic datasets are now increasingly being made available to the scientific community due to enhanced storage capabilities, but remain largely unexplored (e.g., the 1980 St Helens seismic data have been recently digitized and made available from IRIS). However, explosive eruptions are often studied on a case-study. To reach a comprehensive understanding of the dynamics of magma transport prior to explosive eruptions, we selected 15 high-quality volcano-seismic networks encompassing an explosive eruption where ground deformation measurements are available. In case a significant signal is detected, source characterization will be performed using classical inversion techniques. Uncovering the mechanisms of magma transport and storage would pave the way to improved understanding of explosive eruptions.