Le radon-222 traceur de la dynamique des systèmes géologiques: Méthodologie et traitement du signal, interprétation du comportement du radon-222 en milieux géologiques actifs.

Thèse soutenue le 19 avril 2011, devant le jury composé de : Michael MANGA (University of California, Berkeley ......(Rapporteur) Bernard BOURDON (École Normale Supérieure de Lyon) .... (Rapporteur) Jean-Christophe SABROUX (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire) ... (Examinateur) Claude JAUPART (Institut de Physique du Globe de Paris) ..... (Examinateur) Georges BOUDON (Institut de Physique du Globe de Paris) ..... (Directeur de thèse) Eric PILI (Commissariat à l’Énergie Atomique) ..........(Co-directeur de thèse) Résumé : Les gaz, et plus particulièrement le radon, sont souvent cités comme indicateurs des processus géodynamiques de grande échelle. Mesurable dans l’air, l’eau et les roches, les concentrations en radon sont généralement extrêmement faibles. En effet, une concentration usuelle de 37 Bq m-3 représente seulement un millionième de ppb par volume (ppbv) dans l’atmosphère. De telles concentrations en radon-222 restent pourtant faciles à mesurer grâce à la très grande énergie de la désintégration alpha. Il est théoriquement possible de détecter un atome de radon, performance inaccessible aux méthodes d’analyses chimiques. C’est justement cette particularité, associée à sa période radioactive de 3.82 jours, qui rend le radon si intéressant pour le traçage des phénomènes naturels. Mais, cette extrême sensibilité de détection implique que la mesure du radon devient alors très sensible aux processus hydrogéologiques de surface et aux forçages météorologiques, tout particulièrement si la méthodologie de mesure et d’implantation des capteurs n’est pas parfaitement maîtrisée. Ces aspects sont peu abordés dans la littérature passée et récente, et sont rarement pris en compte lors de l’analyse et l’interprétation des signaux. Nous ferons le point sur ces sujets en abordant les problèmes liés à l’instrumentation, aux méthodes de mesures et ceux liés au traitement des données. Grâce au déploiement de sonde radon sur différents sites à forte dynamique comme les sites volcaniques (La Soufrière de Guadeloupe et le Mérapi), tectoniques (Syabru-Bensi au Népal et la Faille du Kunlun au Tibet) et souterrains (Laboratoire Naturel de Roselend et laboratoire sous-glaciaire d’Argentière), nous montrons comment extraire de ces enregistrements les signatures, si elles existent, des processus géodynamiques. Pour cela, nous avons dû développer des outils de traitement du signal qui nous permettent d’extraire l’effet des ondes de marées barométriques et gravimétriques sur le signal. Nous disposons ainsi d’un outil très sensible pour tracer finement les processus de transport du radon qui sont intimement liés aux processus géodynamiques en jeu sur les différents sites. La mise en évidence de la présence des ondes de marées terrestres M2 et O1 dans les enregistrements du laboratoire sous-glaciaire d’Argentière tendent à prouver la relation entre les déformations mécaniques et les variations d’activités du radon-222. Il est donc théoriquement possible de détecter par le radon une variation de la contrainte induite par un séisme. Cependant, des effets hydrologiques (effet piston) ne sont pas à exclure, comme nous le démontrons avec les données acquises sur le site de Roselend. Sur le volcan Mérapi, nous avons aussi démontré que l’onde de pression S2, dissimulée dans les signaux de l’activité en radon et dans la température des gaz fumerolliens, nous permettait de suivre l’évolution des processus d’auto-scellements des fractures. Ce mécanisme s’est avéré être annonciateur de l’éruption de 2006. Ces résultats démontrent le réel potentiel de la mesure du radon-222 appliquée au traçage des phénomènes naturels. Toutefois, il est nécessaire de maîtriser l’instrumentation, de connaître les processus physiques qui sont associés au transport du radon et surtout d’appliquer les outils d’analyse fréquentielle des signaux. Ces outils sont très prometteurs pour le suivi et la compréhension des phénomènes géodynamiques.