Caractérisation spatiale et temporelle de la sismicité volcanique de la Soufrière de Guadeloupe : relation avec le système hydrothermal

Les transferts de masse et de chaleur depuis les profondeurs de la Terre vers la surface se font majori- tairement à travers des systèmes magmatiques s’exprimant par le biais de phénomènes éruptifs variés. La dynamique de ces manifestations, liée aux mouvements de magma en profondeur, est contrôlée une importante diversité de processus physiques et chimiques capable de générer des séismes. Dans ce contexte, les sources sismiques varient en fonction des dynamiques de propagation des fluides (magmatique et/ou hydrothermaux) et du milieu. Dans les systèmes volcaniques, ce milieu est géné- ralement très hétérogène, fracturé et anisotrope. Ainsi la sismo-volcanologie joue un rôle important dans la surveillance et la compréhension de ces systèmes, ce qui est essentiel pour l’évaluation des comportements éruptifs et leurs évolutions, et pour déterminer les risques pour les populations et les infrastructures. L’un des objectifs de la sismo-volcanologie est de caractériser dans le temps et l’espace les sources sismogènes et d’en déduire les processus qui en sont à l’origine, et les propriétés physiques du milieu. Le volcan de la Soufrière de Guadeloupe est le seul volcan actif de l’archipel, situé au sud de l’île de la Basse-Terre sur l’arc interne des Petites Antilles. Depuis la dernière éruption magmatique majeure (1535 AD), son activité fut essentiellement phréatique avec plusieurs crises, dont la dernière en 1975–1977. Depuis la réactivation soudaine de l’activité sismique et fumerollienne en 1992, on observe une augmentation progressive de la sismicité de faible énergie et du dégazage dans la zone sommitale. En accord avec les études récentes de géophysique, géochimie et géologie, cette activité contemporaine semble être exclusivement associée au système hydrothermal. En revanche, les relations entre ce sys- tème hydrothermal très développé et la sismicité sont peu connues. L’objectif de cette thèse est de caractériser la sismicité volcanique observée en essaims sismiques entre 1981 et 2013, et d’examiner les processus volcaniques susceptibles de les générer. Pour y parve- nir, nous conduisons une approche sismologique globale associant des analyses spectrales, statistiques, des problèmes inverses et des méthodes de traitement du signal, de “clustering” et de localisations. Par ailleurs, nous développons une méthode itérative d’inversion des temps de propagation des ondes pour approfondir les modèles de vitesses existants, et une méthode de localisation sur grille, absolue et relative, pour améliorer les résultats de localisation et définir les principales structures sismogènes. La grande diversité des signaux sismiques nous conduit à effectuer plusieurs tests statistiques dans le domaine temporel et le domaine de Fourier afin d’estimer des paramètres fiables d’une analyse par multiplets et d’identifier les sources sismiques répétitives. Suivant cette approche, nous démontrons dans ce manuscrit que la sismicité est essentiellement générée par l’activité du système hydrothermal superficiel. Cette sismicité est distribuée en essaims sismiques d’une durée moyenne de 4 jours répartie en 3 périodes d’activité distinctes. La localisation précise des événements sismiques décrit une plomberie complexe sous le volcan avec deux structures sismogéniques majeures en profondeur et un fort taux de sismicité dans le dôme volcanique. En ac- cord avec les distributions spatiales du rapport de vitesse VP/VS et des valeurs de b de la loi de Gutenberg-Richter, nous avons défini trois zones sismiques particulières associées à : (1) la migration des gaz magmatiques, (2) le stockage et le mélange de ces gaz avec les eaux phréatiques, et (3) la migration superficielle des fluides hydrothermaux. L’évolution spatiale de la sismicité au cours du temps fluctuent entre une sismicité diffuse et une sismicité plus concentrée dans les structures principales. Le “clustering” par similarité des formes d’ondes définit peu de familles significatives, consistant avec des processus de fracturation dans un milieu hautement hétérogène et met en évidence un changement soudain de la dynamique après le séisme tectonique des Saintes (21 novembre 2004, Mw=6.3) situé à une vingtaine de kilomètres du volcan.