Imager en temps-réel la plomberie interne d’un volcan pour mieux anticiper ses éruptions | INSTITUT DE PHYSIQUE DU GLOBE DE PARIS

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  Imager en temps-réel la plomberie interne d’un volcan pour mieux anticiper ses éruptions

Des chercheurs de l’IPGP et leurs collègues internationaux ont développé une nouvelle méthode opérationnelle de surveillance des volcans : utiliser les mesures GPS pour suivre en temps-réel les structures internes sollicitées par la surpression du magma durant sa migration vers la surface. Cette technique, baptisée "tomographie mécanique", est implémentée au Piton de la Fournaise à la Réunion.

 

Une plomberie interne "éclairée" de l'intérieur

Durant la phase préparatoire d’une éruption, un volcan se déforme légèrement en raison des mouvements de fluides magmatiques en profondeur. Modéliser ces déformations de surface permet de déterminer et quantifier certaines des caractéristiques de la source active qui en est à l'origine : sa localisation, sa forme géométrique et sa variation de volume. Pourtant, le terme de "tomographie" (qui vient de la racine grecque "représentation en coupes") n'avait jamais été utilisé en volcanologie pour décrire l'image obtenue à partir des déformations actives, alors que cette méthode est tout à fait complémentaire aux autres techniques d'imagerie structurales (sismique, électrique, gravimétrique...).

 

Éruption du Piton de la Fournaise le 20 juin 2014 (© OVPF/IPGP)

Des chercheurs de l’Institut de physique du globe de Paris (IPGP-Université de Paris), de l'ISTerre (IRD, Université Grenoble-Alpes), du Laboratoire de Biométrie et Biologie Évolutive (LBBE-CNRS-Université Claude Bernard Lyon I) et de l'Université Gadjah Mada (Indonésie) démontrent, dans une étude publiée dans Geophysical Research Letters, qu'à partir d'une inversion bayésienne et d'un modèle analytique relativement simple, il est possible d'obtenir une image cohérente de la plomberie interne d'un volcan à partir de mesures GPS temps-réel, chaque structure empruntée et soumise à la pression du magma étant activée lors de la migration vers la surface.

 

Un modèle analytique révolutionnaire

Le modèle analytique utilisé dans cette étude, appelé Point Compound Dislocation Model (pCDM), a été proposé récemment par Nikkhoo et al. (2017). Il permet de simuler toute forme de source (sphère, ellipsoïde, sill, dyke, pipe) dans un milieu élastique homogène et en champ lointain, avec un nombre limité de paramètres. Il a ainsi la particularité de pouvoir se substituer à la majorité des modèles analytiques précédents qui devaient être utilisés au cas par cas.

 

Suite à un codage numérique le plus optimisé possible des équations du modèle (en langages C et Matlab), l'équipe de chercheurs a implémenté ce dernier dans un problème inverse adapté permettant d’explorer "l’espace des modèles", c’est-à-dire l’ensemble des solutions probables au travers de millions de calculs en seulement quelques dizaines de secondes. La méthode utilisée est dite "non supervisée" car elle minimise le nombre d’informations a priori imposées au calcul : c’est le modèle qui détermine l’ensemble des localisations et formes de sources les plus probables, exclusivement contraint par les mesures GPS observées et leurs incertitudes. Le résultat est ainsi une "traduction" évoluée et parfaitement quantifiée des données de surface.

 

Structures spatio-temporelles obtenues au Piton de la Fournaise lors de la phase de migration du magma avant l’éruption du 20 juin 2014 (© Beauducel et al. 2020)

Application au Piton de la Fournaise

La méthode a été implémentée comme nouveau module WebObs, un système libre créé à l'IPGP permettant de développer et tester facilement des outils de surveillance en temps-réel. Une éruption mineure du Piton de la Fournaise survenue en juin 2014, pour laquelle moins de 1 cm de déformations pré-éruptives avait été observé, à la limite de la sensibilité instrumentale, a permis de valider cette méthode. Le modèle a clairement montré la migration ascensionnelle du magma durant les dix jours précédant l’éruption, avant de converger vers des sources superficielles aux géométries compatibles avec les autres observations (sismiques notamment). Les derniers volumes obtenus, environ 300 000 m3, sont en accord avec le volume de lave effectivement émis en surface.

 

Ce succès scientifique est donc déterminant pour la prévision des éruptions : les modèles de déformations pré-éruptives seraient ainsi capables de donner une estimation cohérente de la variation de volume générée par le magma, que l'on peut interpréter, sous certaines conditions, comme indicatrice du volume de lave à venir. Désormais utilisée couramment à l'observatoire volcanologique du Piton de la Fournaise, cette méthode a notamment permis de visualiser la migration de magma au cours des quatre jours ayant précédé la dernière intrusion magmatique les 28 et 29 septembre 2020.

 

En savoir plus :

 

 

Contact : 

François Beauducel - équipe de sismologie (actuellement à l’IRD)

Date de publication : 
15 Octobre 2020