Les capteurs de déformation | INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE DE PARIS

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  Les capteurs de déformation

Les capteurs de déformation :

 
Poussée de magma

 

Un volcan est loin d’une masse inerte, mais il « vit » sous des forces internes. Une remonté de magma sous le massif, sous forme d’intrusions de dykes ou sills se manifeste par des déformations du massif, le volcan se dilate. Ces déformations se traduisent à la surface par des variations de la pente du cône, par des ouvertures des fissures, les distances entre deux repères changent et l’altitude varie. L’arrivée de magma provoque généralement un gonflement du volcan, l’ouverture et le début d’une éruption se manifeste souvent par un dégonflement. Ces variations sont très faibles et invisibles pour l’homme, mais peuvent être observées et suivies en temps réel grâce à des instruments modernes et constamment affinés. Il existent quatre capteurs de déformation : l'inclinomètre, l'extensomètre, le distancemètre et les récepteurs GPS.

L'inclinomètre :

Chaque montée de magma ou intrusion, provoque une pression sur le massif, qui se traduit généralement par une inflation de la surface due à l’élasticité de la roche. Quand cette poussée disparaît lors de l’ouverture des fissures et de l’arrivée du magma à la surface, une déflation du cône peut être observée. Localement la situation peu être plus complexe lors d’injections magmatiques latérales.

 

Inclinomètre

Les inclinomètres de type BLUM, utilisés au Piton de la Fournaise sont composés d’un pendule horizontal à suspension bifilaire avec une plaque inox, équipée d’une fenêtre, d’une association de deux photorésistances et d’une source lumineuse. Le rayon lumineux qui tombe à travers la fenêtre de la plaque inox éclaire une partie centrale des deux photorésistances. La suspension particulière du pendule transmet tout mouvement du sol à la plaque inox, amplifié par un facteur compris entre 50 et 1000.

 

 

Lorsque l’inclinaison de la surface du volcan change, le nouvel équilibre du pendule est tel que le mouvement des 2 photorésistances, solidaire du sol est négligeable par rapport de celui de la plaque d’inox. Aussi la zone éclairée sur les 2 résistances se déplace, entrainant une variation de la tension mesurée entre elles, qui est fonction de la variation de l’inclinaison.

 

Instrument

En raison des variations importantes de températures au volcan, entre –10 et +40°C et de la sensibilité de ces instruments aux changements thermiques, le cadre, les fils et le pendule sont fabriqués en silice, qui possède un coefficient de dilatation thermique particulièrement faible. Les fils de suspension des pendules ne mesurent qu’une dizaine de microns de diamètre (1 micromètre = 0,001 mm). Ces instruments sont donc très fragiles, mais particulièrement sensibles. La photo à droite montre un inclinomètre installé sur le terrain. Les variations d’inclinaison détectable avec ces instruments sont inférieures à un microradian, ce qui correspond à une variation verticale de moins d’un millimètre sur une base d’un kilomètre de longueur. Les mesures sont effectuées toutes les minutes et transmises à l’observatoire par voie hertzienne toutes les 5 minutes.

 

 

 

Extensomètre :

Les mouvements du volcan sont observés également sur le réseau de fissures existantes. Pour suivre ces mouvements, des « extensomètres » ont été installés sur certaines fissures centimétriques dans des dalles de basalte. Ils mesurent en permanence l’écartement des bords de la fissure, mais aussi le cisaillement et le décrochement, donc le mouvement en trois dimensions. Chaque site est donc équipé de trois instruments indépendants, voir figure page suivante. Deux types d’extensomètres sont utilisés.

 

Extensomètre à piste de carbone :

 

Extensomètre à piste de carbone

Ce type d’extensomètre utilise une résistance en carbone et un curseur, qui sont fixés de part et d’autre d’une fissure. Une variation de l’écartement (ouverture ou fermeture) de celle-ci déplace le curseur sur la piste de carbone et change la résistance mesurée. Ainsi on est capable de détecter des déplacements du curseur de l’ordre de centième de millimètre. Lors d’une éruption, des variations de plusieurs dizaines de millimètres peuvent se produire. Des instruments identiques sont installés pour suivre le cisaillement et le décrochement des fissures.

 

Extensomètre
Montage extensomètrique 3D

La plupart des composants de cet instruments sont fabriqués en silice, de là son nom, pour minimiser l’influence thermique sur l’appareil.
Les mesures sont effectuées toutes les minutes et envoyées vers l’observatoire volcanologique par radio toutes les 5 minutes. Ensemble avec les données inclinométriques, elles nous indiquent les zones d’extension ou compression du volcan, qui sont généralement identifiées par les inclinomètres comme des zones d’inflation ou de déflation, et permettent de suivre presque en temps réel les intrusions magmatiques sous le massif du volcan avant l’éruption.

 

 

Distancemètre :

Le gonflement du à une intrusion concerne pour la plupart des éruptions le cône principal du volcan. Lors de ce gonflement, les distances entre deux points du volcan à l’échelle de plusieurs centaines de mètres ou de kilomètres changent. Pour détecter ces variations, des distancemètres (Wild DI 2500 geodimètre) avec une portée de plusieurs kilomètres sont installés à Piton Partage et Piton Bert et des rangées de catadioptres (prismes réfléchissants) sont placés sur les flancs du volcan. Piton Partage et Piton Bert se trouvent sur le Rempart Fouqué et sont indépendants du cône volcanique actif, par contre les catadioptres se déplacent avec les déformations du cône. On peut donc, par ces instruments, mesurer les mouvements du massif du volcan par rapport au bord fixe de la caldeira.

Distancemètre
Prisme sur la Soufrière de Guadeloupe

Le distancemètre émet un rayon infrarouge d’une longueur d’onde de 905 nanomètres successivement vers les prismes, installés sur le flanc du volcan. Le temps de parcourt, aller et retour, est chronométré. Ainsi on peut déterminer la distance entre émetteur et réflecteur jusqu’à 4 km, avec une précision de 5 millimètres. Le théodolite motorisé vise automatiquement toutes les heures les prismes sur le terrain. Il optimise la visée pour avoir une intensité du rayon réfléchi maximal, ce qui permet une mesure précise, effectue les mesures et calcule les distances . Bien sur, ce dispositif ne fonctionne plus dès que nuages ou brouillard empêchent la visibilité entre distancemètre et prismes sur le terrain.

L’exemple ci contre montre le flanc nord du Piton de la Fournaise entre Piton Partage et le sommet du volcan. Le distancemètre se trouve à Piton Partage (étoile), les prismes (triangles noirs) sont implantés sur le cône. En rouge sont représentées les fissures en échelon, qui se sont formées lors de l’éruption du 9 Mars 1998. Les chiffres encadrés indiquent les variations en centimètres des distances entre les prismes et Piton Partage. Toutes les prismes à l’est des fissures se sont éloignés jusqu’à 34 cm, tandis que les distances vers les prismes à l’ouest sont restées inchangées.

 

Le système GPS :

 

Déplacements horizontaux

Le récepteur GPS est un outil de navigation, qui permet de déterminer la position d’un point sur le globe à l’aide de signaux émis par 28 satellites, qui tournent autour de la Terre à une altitude de 20 000 km. Ces satellites sont équipés d’horloges atomiques, donc très précises, et émettent l’heure et leurs position par radio. Dès que les signaux de trois satellites sont reçu simultanément, une position dans l’espace peut être déterminée par triangulation. Les récepteur modernes travaillent avec 12 satellites en même temps, ce qui permet une localisation très précise. En fait les imprécisions des positions déterminées sont dues aux influences météorologiques et stratosphériques, qui varient par refraction la trajectoire linéaire du signal, donc allongent légèrement leurs temps de parcourt et par là induisent des erreurs.

Un simple récepteur de poche a une précision d’une dizaines de mètres et est suffisant pour effectuer des cartographies de coulées le lave en contournant leurs bords et en stockant plusieurs centaines voir milliers de points de localisations.
Ceci a été effectué pour les trois dernières coulées de Juillet et Septembre 1999 et de Février 2000 et permettait d’établir les contours des coulées avec des détails et une approche de la réalité sans précédant.

Pour suivre les déformations d’un volcan aussi bien à long terme (plusieurs mois) que lors des intrusions magmatiques (plusieurs minutes ou heures), des précisions beaucoup plus poussées sont nécessaire. Pour obtenir des mesures plus exactes, on utilise le « GPS différentiel ». Un deuxième GPS est installé sur un point de référence, bien connu et qui sera toujours utilisé. Si les distances entre les deux GPS ne dépassent pas quelques kilomètres, on peut légitimement supposer que les influences météorologiques sont identiques pour les deux récepteurs. A partir des données du deuxième GPS et des logiciels d’ordinateur on peut ensuite corriger les données du premier GPS et déterminer des positions sur le terrain à moins d’un centimètre près, par rapport au point de référence, en longitude et l’latitude, aussi bien qu’en altitude. Ainsi nous sommes en mesure de suivre les mouvements du volcan en temps réel grâce à des GPS permanents ou suivre l’évolution du cône en effectuant des campagnes de mesures régulières.

Pour ceci nous déterminons à des intervalles de temps réguliers ou après chaque éruption les positions des points de repère sur le terrain.

 

Le graphe ci-contre montre les déplacements horizontaux en centimètre de quelques points entre 1997 et fin Mars 1998, donc après l’éruption du 9 Mars. Un graphe identique peut être dessiné pour les variations en altitude. Ces mesures par GPS sont en accord avec les valeurs de variations de distances (voir plus haut), mais elles ont l’avantage qu’on puisse déterminer le mouvement dans les trois dimensions de l’espace.

Pour ceci nous déterminons à des intervals réguliers des points précis, marqués sur le terrain, à des intervalles réguliers ou après chaque éruption. Le graphe ci-dessous montre un exemple des variations sur le flanc nord du volcan entre une campagne de mesure en 1997 et après l’éruption du 9 Mars 1998. Avec la même méthode on a pu démontrer que le bord est du cratère Dolomieu a migré environ 2 m vers l’est en 10 ans du aux intrusions des éruptions successives.