Identification et modélisation des processus physiques de déclenchement et modulation de la sismicité volcanique : applications à la Soufrière de Guadeloupe

Alors que les éruptions magmatiques sont souvent associées à des précurseurs sismiques, les éruptions phréatiques sont plus difficiles à prévoir. Résultant d’interactions entre magma et eau à faible profondeur, ces explosions violentes sont précédées d’une faible activité sismique, souvent difficile à interpréter. Mieux comprendre la sismicité superficielle associée aux systèmes hydrothermaux est crucial pour anticiper ces éruptions. Notre étude s’intéresse au volcan de la Soufrière de Guadeloupe, qui, avec un système hydrothermal actif depuis plus de 30 ans et un réseau de surveillance multi-paramètres, constitue un cas d’étude pour analyser le lien entre forçages et sismicité. La Soufrière présente une activité microsismique superficielle sous forme d’essaims de séismes répéteurs. Les deux familles principales, détectées depuis au moins 2014, représentent 90% des détections. La sommation des formes d’ondes sismiques enregistrées par un réseau temporaire dense et l’ajustement du modèle de vitesse dans le dôme, offrent une nouvelle vue de l’activité sismique hydrothermale, localisée dans un conduit sub-vertical sous le gouffre Tarissan. Après le séisme d'avril 2018 (Mlv 4.1), induisant un endommagement dynamique du dôme, la fréquence et l’amplitude des essaims ont fortement augmenté. Une nouvelle famille de répéteurs, représentant près de 10% des détections, est apparue trois mois plus tard, probablement liée à une augmentation de la pression de fluide. Cependant, après un nouveau séisme Mlv 6.0 en décembre 2023, cette nouvelle famille a cessé d’être détectée. À l’aide d’un modèle hydrogéologique, nous augmentons la résolution temporelle des variations du niveau du lac Tarissan, en intégrant la pluviométrie triangulée autour de la Soufrière. L’analyse de la déformation régionale à partir des séries temporelles GNSS montre des composantes à long terme et périodiques, maximales près du gouffre Tarissan. Des analyses statistiques révèlent des périodicités saisonnières dans la microsismicité, avec un pic majeur d'activité en octobre-novembre, dont la réponse au forçage périodique a augmenté après le séisme d’avril 2018. Le système est aussi caractérisé par de fortes variations saisonnières du niveau du lac Tarissan et de la déformation verticale en surface. Nous explorons le lien possible entre hydrologie, déformation et sismicité à travers deux modèles physiques : (1) la réponse d’un milieu élastique aux fluctuations de la charge hydrologique en surface et (2) la réponse d’un aquifère poroélastique associée aux fluctuations de la pression de l’eau en profondeur. La comparaison des déformations modélisées et observées, ainsi que l’ordre de grandeur des variations de contraintes de Coulomb sur le conduit où se localise la microsismicité, suggèrent qu'au premier ordre, la microsismicité est modulée par les variations de pression interstitielle dans l’aquifère. À l'avenir, la compréhension du système hydrothermal sera complétée par l'étude du forçage interne au volcan (dégazage, variations de température, etc.) à partir de séries temporelles plus longues. Ces dernières révèlent des dynamiques complexes, influencées par des facteurs environnementaux et des hétérogénéités structurales. Ces travaux de thèse soulignent l'importance de la surveillance multi-paramètres des systèmes volcaniques pour caractériser l'état des systèmes hydrothermaux, modulés par des forçages internes et externes complexes, et anticiper les éruptions phréatiques.



Abstract :
While magmatic eruptions are often associated with seismic precursors, phreatic eruptions are more difficult to predict. These eruptions result from the interaction between magma and shallow water, and can cause violent explosions but are preceded by low seismic activity, often difficult to interpret. A better understanding of shallow seismicity associated with hydrothermal systems is crucial for anticipating these eruptions. Our study focuses on La Soufrière de Guadeloupe volcano, which, due to the presence of an active hydrothermal system for over 30 years and a multi-parameter monitoring network, serves as a case study to analyze the link between forcings and seismicity. La Soufrière is characterized by shallow microseismic activity in the form of swarms of repeating earthquakes. The two main families, detected since at least 2014, represent 90% of all detections. The summation of seismic waveforms recorded by a dense temporary network and the adjustment of the velocity model within the dome provide a new perspective on hydrothermal seismic activity, localized in a sub-vertical conduit below the Tarissan acid lake. Following the April 2018 earthquake (Mlv 4.1), which induced dynamic damage on the dome, the frequency and amplitude of the swarms significantly increased. A new family of repeaters, representing nearly 10 % of the detections, emerged three months later, likely linked to an increase in fluid pressure. However, after a new Mlv 6.0 earthquake in December 2023, this new family ceased to be detected. Using a hydrogeological model, we improve the temporal resolution of variations in the Tarissan lake level by incorporating rainfall triangulated around La Soufrière. Analysis of regional deformation using GNSS time series reveals long-term and periodic components, with a maximum near the Tarissan lake. Statistical analyses show seasonal periodicities in microseismicity, with a major peak in activity in October-November, whose response to periodic forcing increased after the April 2018 earthquake. The system is also characterized by strong seasonal variations in the Tarissan lake level and surface vertical deformation. We explore the potential link between hydrology, deformation, and microseismicity through two physical models: (1) the response of an elastic medium to fluctuations in surface hydrological load and (2) the poroelastic response of the medium, associated with fluctuations in water pressure at depth. Comparison of modeled and observed deformations, along with the magnitude of Coulomb stress variations on the conduit where microseismicity is localized, suggests that, at first order, microseismicity is modulated by variations in interstitial pressure within the aquifer. In the future, understanding the hydrothermal system will be complemented by the study of internal volcanic forcing (degassing, temperature variations, etc.) using longer time series. These reveal complex dynamics influenced by environmental factors and structural heterogeneities. This thesis highlights the importance of multi-parameter monitoring of volcanic systems to characterize the state of hydrothermal systems, modulated by complex internal and external forcing, and to anticipate phreatic eruptions.





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