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L’analyse du bruit sismique pourrait servir à la localisation des futures éruptions volcaniques

par assistant com’ - 6 janvier 2014 ( maj : 16 mai 2014 )

En analysant le bruit sismique enregistré sur le Piton de la Fournaise lors de deux éruptions survenues en octobre et décembre 2010, une équipe de chercheurs de l’ISTerre démontre la possibilité d’utiliser cette nouvelle méthode pour la prévision des éruptions volcaniques. Cette étude, qui s’appuie sur plusieurs projets de recherche[1], est publiée en ligne dans Journal of Geophysical Research.

Depuis la fin des années 70, la prévision des éruptions volcaniques a fait d’immense progrès. Toutefois, être capable de déceler les prémices d’une éruption, d’observer sa naissance, d’en prévoir plusieurs jours à l’avance la position exacte, l’ampleur, et enfin dans le même temps, être en mesure d’alerter les autorités pour la protection des populations concernées, demeure dans bien des cas un défi.

La plupart du temps, la reprise d’activité d’un volcan s’accompagne de nombreuses manifestations (vibrations, déformations, émanations de gaz), que les spécialistes cherchent à détecter sur les volcans particulièrement dangereux, dans le but de prévoir de futures éruptions. Toutefois, la prévision des éruptions volcaniques est une discipline délicate, voire impossible pour certains volcans. En effet, identifier des signes précurseurs est extrêmement difficile, notamment parce que les mécanismes dynamiques des volcans, tout comme leur structure, sont en général mal connus.

Parmi les techniques de surveillance et d’alerte, les dispositifs sismologiques, basée sur la détection et l’enregistrement des vibrations du volcan (la sismicité), sont largement répandus autour du monde. Ils sont en général associés à des mesures de déformation de l’édifice (GPS, inclinomètres…). Ainsi, sur de nombreux volcans, l’activité sismique offre par exemple l’intérêt de signaler l’apparition de fissures induites par la montée du magma quelques heures avant l’éruption. Néanmoins, ce délai n’est pas toujours suffisant pour la protection des populations. Et dans la majorité des cas, les observations ne permettent pas de prédire de façon fiable et précise l’heure et le lieu des futures éruptions.

Depuis une dizaine d’année, les sismologues cherchent à exploiter de toutes petites vibrations que l’on peut enregistrer en permanence, de façon continue. Non pas celles induites par les séismes ou les migrations de magma, mais plutôt celles provoquées par les événements météorologiques, océaniques, ou encore l’activité humaine. On parle de bruit sismique. Ainsi, même les plus infimes vibrations induites par les vagues sur la côte peuvent être détectées et enregistrées par les sismomètres au sommet d’un volcan, à plusieurs dizaines ou centaines de kilomètres de là. Ce qui est fascinant, c’est que ces vibrations infimes, qui se sont donc propagées au travers de l’édifice volcanique, transportent avec elles les caractéristiques du cœur du volcan, et notamment l’état de son activité. Mais comment extraire correctement cette information ?

Photo E. Larose


Eruptions du Piton de la Fournaise, île de La Réunion, observées en octobre et décembre 2010 et localisées par la grande et petite étoile noire (respectivement)

Éruptions du Piton de la Fournaise, île de La Réunion, observées en octobre et décembre 2010 et localisées par la grande et petite étoile noire (respectivement)
Les couleurs variant du jaune vers le rouge marquent les endroits où le volcan subit un changement de structure (ouverture de fissure, déplacement du sol, déplacement ou solidification de magma…).
(a) Environ 3 semaines avant l’éruption, des changements sous le cratère principal sont observés. (b) Environ une semaine avant l’éruption, les changements se localisent à l’endroit de la future éruption. Il s’agit peut-être de fissure en préparation, par lesquelles le magma va s’injecter pour arriver à la surface. (c) Pendant la première éruption, les changements observés correspondent à l’épanchement du magma en surface. Il est aussi possible d’observer au nord-ouest un changement annonciateur de la seconde éruption (plus petite). (d) Durant la seconde éruption, les changements les plus significatifs interviennent autour du deuxième épanchement de magma. Il est aussi possible d’observer les changements associés à la lente solidification des coulées de magma de la première éruption.

En 2009, pendant le projet Undervolc [1] les scientifiques ont déployés un réseau de nouveaux capteurs sismologiques sur le Piton de la Fournaise (île de La Réunion). Ce volcan, l’un des plus actifs au monde, était déjà équipé d’un réseau de capteurs d’une génération plus ancienne. Ces nouveaux instruments devaient permettre de mieux connaître la structure profonde du volcan, d’améliorer la compréhension des mécanismes éruptifs et la prévision des périodes d’éruptions … Mais aussi d’ouvrir la voie à de nouvelles découvertes.

Dans le cadre de cette étude les scientifiques se sont appuyés sur des travaux récents issus de la physique fondamentale pour décrire la propagation des vibrations dans le volcan. Ils utilisent un modèle probabiliste, une vraie rupture scientifique dans le domaine de la sismologie où la propagation des ondes sismiques est conventionnellement décrite en terme de trajets déterministes. Des travaux en acoustique ultrasonore, menés dans des matériaux très hétérogènes comme le béton, avaient déjà montré la pertinence de cette approche[2]. Ces premiers travaux ont fait office de preuve de concept. Mais le passage de l’échelle des ultrasons de laboratoire à l’échelle des ondes sismiques dans un volcan était une vraie gageure.
Sur ce principe, deux éruptions volcaniques survenues en octobre et décembre 2010 ont été analysées[3]. Les auteurs ont cartographié, a posteriori, les changements mécaniques de l’édifice volcanique qui précèdent ces éruptions. Ces changements sont à la fois des changements des vitesses des ondes, mis en évidence pour la première fois dans cette étude, et des changements structuraux (fracturation, injections de magma) qui affectent les propriétés de diffraction. Les changements structuraux sont des indicateurs directs du fonctionnement pré-éruptif du volcan. Ils indiquent parfaitement la position des éruptions observées.

La possibilité de disposer d’une telle information, une à deux semaines avant que l’éruption se produise, offre des perspectives très importantes. Les scientifiques en charge de la surveillance pourraient d’une part, placer les instruments de mesure au plus près de la future éruption, et d’autre part être en mesure d’alerter les autorités en charge de la protection suffisamment à temps. Pour être définitivement validés, ces travaux sont maintenant appliqués sur d’autres volcans, comme le Colima au Mexique, ou encore le Mérapi en Indonésie.

Cette découverte ouvre aussi la porte à des applications dans le domaine industriel de la géothermie ou de l’exploitation pétrolière, pour suivre l’évolution des matériaux géologiques en profondeur, et encore la surveillance des glissements de terrain.

Contact scientifique local
Éric Larose, ISTerre-OSUG : eric.larose [at] ujf-grenoble.fr - 04 76 63 51 64

Les médias en parlent
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Cette actualité est également relayée par
- l’Institut National des Sciences de l’Univers du CNRS - INSU (source)
- l’Université Joseph Fourier - UJF
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Référence
Imaging pre- and co-eruptive structural and mechanical changes of a volcano with ambient seismic noise. A. Obermann1, T. Planès1, E. Larose1, M. Campillo1, Journal of Geophysical Research, le 26 décembre. Lire l’article (en anglais)
1 Institut des Sciences de la Terre - ISTerre (CNRS, UJF, IRD, Univ. de Savoie, IFSTTAR)

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1 Le programme UnderVolc (OVPF/IPGP, ISTerre) est financé par l’ANR et coordonné par F. Brenguier (physicien adjoint d’observatoire IPGP au moment du projet, maintenant à ISTerre-OSUG). Le programme ANR Jeune Chercheur SISDIF a été coordonné par Eric Larose (ISTerre). Le programme ERC Advanced Grant Whisper (ISTerre/IPGP) est coordonné par Michel Campillo (ISTerre).

2 Ces études ont fait l’objet d’un dépôt de brevet pour la détection de l’apparition de fissures dans les ouvrages en béton en 2009.

3 Les analyses ont été réalisées par Anne Obermann durant sa thèse.

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