Mise au point d’une méthode de tomographie utilisant les muons d’origine cosmique. Applications au laboratoire souterrain du Mont Terri et au volcan de la Soufrière de Guadeloupe.

Membres du jury : Rapporteurs : Gabriel Chardin (Directeur de recherche CNRS CSNSM) Michel Campillo (Professeur ISTerre Université Grenoble) Examinateurs : Arnaud Derode (Professeur LOA Université Paris 7) Vincent Courtillot (Professeur IPGP Université Paris 7) Directeur de thèse: Dominique Gibert (Physicien IPGP) Invité: Jacques Marteau (Maître de conférence IPNL Université Lyon 1) Résumé : Les muons d'origine cosmique sont produits lors de la formation de cascades de particules suite aux interactions de particules cosmiques avec l'atmosphère. Les muons sont des particules fondamentales, de masse 200 fois supérieure à celle des électrons. Leur faible probabilité d'interaction avec la matière leur permet de traverser l'atmosphère ainsi que les premiers kilomètres de la croûte terrestre. Le flux de muons est atténué lors de la traversée d'un milieu en fonction de la quantité de matière rencontrée. Ainsi, l'étude de l'atténuation du flux de muons permet d'obtenir une mesure directe de l'opacité de la roche. Cette opacité correspond à la masse volumique du milieu, intégrée le long du trajet parcouru par les muons à travers la roche. La trajectoire des muons est en effet considérée comme étant rectiligne lorsqu'ils traversent la roche. Il est donc possible de réaliser une tomographie géophysique en disposant un réseau de capteurs autour d'objets géologiques afin de déterminer la géométrie des structures internes de ces objets. Un modèle de flux de muons souterrain est construit ici à partir de modèles de flux estimés en surface et d'un modèle d'atténuation du flux à travers la roche. Une équation de faisabilité de la tomographie par muons est ensuite formulée afin de déterminer le temps minimal d'acquisition de données pour distinguer des hétérogénéités. Quatre télescopes à muons ont été construits au cours de cette thèse et conditionnés pour supporter une installation sur le terrain, notamment en milieu tropical. Ces télescopes comportent deux à trois matrices de détection constituées de barreaux de scintillateur reliés à des photomultiplicateurs. La modélisation de la capacité de détection des télescopes ainsi que leur résolution angulaire a ensuite été réalisée en fonction de leur configuration géométrique. Une méthode de calibration permettant de corriger le signal d'une éventuelle distorsion a également été mise en place. De plus, des dispositions permettant de réduire le bruit de fond produit par des particules de faible énergie sont mises en place et évaluées. Le développement de cette nouvelle méthode de tomographie géophysique est ensuite illustré de deux exemples d'applications. Les mesures réalisées dans le laboratoire souterrain du Mont Terri (Suisse) nous ont permis de bénéficier de conditions d'acquisition stables pour perfectionner la construction des télescopes et valider les différents modèles ainsi que la méthode de calibration. Un second détecteur a ensuite été installé sur les flancs de la Soufrière de Guadeloupe (Antilles). Des données y ont été acquises depuis deux stations permettant d'obtenir des mesures du flux de muons suivant deux axes perpendiculaires. Les tomographies obtenues sont comparées aux images réalisées à l'aide de tomographies électriques, sismiques et gravimétriques. La tomographie en masse volumique obtenue à partir de l'analyse de l'atténuation du flux de muons permet de compléter ces données avec une résolution particulièrement intéressante. La connaissance de la structure interne du dôme de La Soufrière est alors améliorée dans l'objectif de contribuer à l'évaluation des aléas de ce volcan dangereux. Mots clés : Muons, rayons cosmiques, tomographie, problèmes inverses, masse volumique, détecteur de particules, surveillance volcanique, inversion. Abstract : Cosmic muons are produced in cascad processes following the interactions of cosmic rays with the atmosphere. Muons are fondamental particles with a mass 200 times higher than electrons. Their low interaction probability with matter allows them to cross the atmosphere and even the first kilometers of the Earth crust. The muons flux is attenuated through a media as function of the quantity of matter crossed. The study of the muon flux attenuation allows then to obtain a direct measurement of the rock opacity. This opacity corresponds to the media density, integrated along the muon path through rock. Muons' trajectory is indeed considered to be straight when crossing rock. It is then possible to realise geophysical tomographies by setting a sensor network around geological objects in order to determine the internal structures geometry inside these objects. An underground muon flux model is developped herein from flux models estimated at surface and a model of muon flux attenuation through rock. A feasability equation of the muon tomography is then established in order to determine the minimum time of data acquisition to distingish heterogeneities. Four muons telescopes have been built during this thesis and conditionned to bear field installation, notably in tropical media. These telescopes are made by two or three matrices of detection constitued of scintillating bars linked to photomultipliers. The modelisation of the telescopes detection capacity and angular resolution is realised as function of their geometrical configuration. A calibration method is also established in order to correct the signal from any distorsion. Moreover, arrangements to reduce the backward noise produced by low energy particles are set up and evaluated. The development of this new tomographic method is then illustrated by two geophysical applications. The measurements realised in the Mont Terri underground laboratory (Switzerland) allowed us to benefit from stable acquisition conditions to perfect the telescopes construction and validate the different models as well as the calibration method. A second sensor has been placed later on la Soufrière de Guadeloupe flanks (West Indies). Data have been acquired from two stations in order to obtain muon flux measurements from two perpendicular axes. The tomographies produced are then compared to images realised with electrical, seismical and gravimetrical tomographies. The density tomography made by the analysis of the muon flux attenuation allows to complete those data with a resolution particularly interesting. The knowledge of La Soufrière dome internal structures is therefore improved in order to contribute to the hazards evaluation of this dangerous volcano. Keywords: Muons, cosmic rays, tomography, inverse problems, density, particles sensor, volcano monitoring.