Processus sismiques dans des conduits magmatiques de volcans

Processus(sismiques(dans(des(conduits(magmatiques(de(volcans(indonésiens(
Les$ séismes$ volcaniques$ sont$ les$ principaux$ signes$ précurseurs$ des$ éruptions$ volcaniques.$
Les$mécanismes$physiques$associés$à$la$génération$de$ces$séismes$sont$mal$connus,$ce$qui$
restreint$notre$capacité$à$utiliser$ces$signaux$précurseurs$pour$prédire$le$déroulement$d’une$
éruption.$Ce$sujet$de$thèse$vise$à$renforcer$le$lien$entre$signaux$sismiques$et$les$mécanismes$
physiques$les$générant$par$une$analyse$multiparamétrique$de$l’activité$sismique$de$volcans$
actifs$et$des$simulations$numériques$de$la$génération$des$signaux$sismiques$dans$un$conduit$
volcanique.$
La$ 1ère$ partie$ consiste$ à$ analyser$ en$ détail$ la$ sismicité$ et$ les$ signaux$ sismiques$ d’un$ ou$
plusieurs$ volcans$ indonésiens$ en$ utilisant$ une$ panoplie$ de$ méthodes$ (localisation,$ analyse$
spectrale,$antennes$sismiques,$recherche$de$familles$d’événements,$détection$de$variations$
de$ vitesse,$ classification…).$ Les$ résultats$ seront$ interprétés$ en$ intégrant$ les$ autres$
observations$ et$ données$ disponibles$ (infrasons,$ déformations,$ mesures$ électriques,$ flux$ et$
composition$de$gaz…).$Ce$travail$ s’effectuera$ dans$ le$ cadre$ du$ projet$ANR$Domerapi$et$du$
site$instrumenté$VELI$(Volcans$Explosifs$Laboratoire$Indonésien)$qui$intervient$sur$le$volcan$
Merapi$ (Java)$ et$ plusieurs$ volcans$ de$ l’archipel$ des$ Moluques$ en$ collaboration$ avec$ des$
institutions$ indonésiennes.$ La$ dernière$ éruption$ majeure$ du$ Merapi$ date$ de$ 2010$ et$ a$
généré$d’abondantes$données$sismiques.$Son$activité$actuelle$est$faible.$Les$deux$dernières$
éruptions$ du$ volcan$ Gamalama$ (Moluques)$ se$ sont$ produites$ en$ 2012$ et$ en$ 2014.$ Les$
volcans$Dukono$et$Ibu$sont$en$éruption$permanente$depuis$plusieurs$années.$$
La$2ème$partie$de$la$thèse$a$pour$objectif$d’étudier$par$simulation$numérique$la$propagation$
des$ondes$sismiques$dans$un$modèle$réaliste$de$conduit$magmatique.$ La$comparaison$des$
sismogrammes$ synthétiques$ et$ réels$ permet$ d’extraire$ des$ informations$ sur$ les$ propriétés$
physiques$ des$ systèmes$ magmatiques$ et$ les$ processus$ éruptifs.$ Jusqu’à$ présent,$ les$
simulations$ de$ ce$ type$ ont$ utilisé$ des$ modèles$ de$ conduit$ très$ simplifiés$ (Chouet,$ 1985$;$
Neuberg,$2000$;$Jousset$et$al.,$2003).$Au$sein$de$l’équipe$Géophysique$des$Volcans$d’ISTerre,$
des$modèles$sophistiqués$de$dynamique$des$fluides$dédiés$aux$écoulements$de$magma$sont$
développés.$ Ils$ prennent$ en$ compte$ les$ phases$ solides,$ liquides$ et$ gazeuses$ et$ fournissent$
des$ distributions$ réalistes$ des$ propriétés$ physiques$ du$ magma,$ telles$ que$ la$ masse$
volumique,$la$vitesse$et$l’atténuation$des$ondes$acoustiques,$en$fonction$de$la$profondeur$et$
de$la$position$radiale$ dans$ le$ conduit.$ Un$ modèle$ de$ conduit$ adaptés$ au$ cas$ du$ Merapi$ et$
contraint$ par$ les$ résultats$ du$ premier$ volet$ de$ la$ thèse$ sera$ couplé$ de$ manière$
unidirectionnelle$ à$ un$ code$ de$ propagation$ d’ondes$ 2D.$ Le$ but$ est$ de$ caractériser$ le$
comportement$ des$ conduits$ associés$ à$ la$ génération$ de$ divers$ types$ d’événement$ (LP,$
tornillo,$hybride$et$trémor$harmonique).$Ceci$passera$par$l’analyse$du$contenu$spectral$des$
sismogrammes$ synthétiques$ et$ de$ sa$ dépendance$ aux$ propriétés$ géométriques$ et$
acoustiques$du$conduit.$Finalement,$l’effet$de$la$profondeur$de$l’excitation$dans$le$conduit$
sur$ les$ formes$ d’onde$ permettra$ de$ mieux$ comprendre$ la$ génération$ des$ multiplets$
sismiques$et$ainsi$aider$à$leur$interprétation.$
L’encadrement$de$la$thèse$sera$assuré$par$Jean^Philippe$Métaxian$et$Philippe$Lesage$avec$la$
participation$d’Alain$Burgisser.$

$
Références$
Chouet,$ B.$ ($ 1985).$ "Excitation$ of$ a$ buried$ magmatic$ pipe:$ a$ seismic$ source$ model$ for$
volcanic$tremor."$J.$Geophys.$Res.$90(B2):$1881^1893.$
Jousset,$P.,$et$al.$($2003).$"$Modelling$the$time^frequency$content$of$low^frequency$volcanic$
earthquakes."$J.$Volcanol.$Geotherm.$Res.$128:$201^223.$
Neuberg,$J.$($2000).$"$Characteristics$and$causes$of$shallow$seismicity$in$andesite$volcanoes."$
Phil.$Trans.$R.$Soc.$Lond.$A(358:$1533^1546.$
$
$
Profil$du$candidat$ou$de$la$candidate$:$Master$ou$diplôme$d’ingénieur$avec$expériences$en$
géophysique,$analyse$du$signal,$ou$méthodes$numériques$
$
Résumé$
Les$ séismes$ volcaniques$ sont$ les$ principaux$ signes$ précurseurs$ des$ éruptions$ volcaniques.$
Cette$étude$vise$à$renforcer$le$lien$entre$signaux$sismiques$et$les$mécanismes$physiques$les$
générant$ par$ une$ analyse$ multiparamétrique$de$ l’activité$ sismique$ de$ volcans$ actifs$ et$ des$
simulations$numériques$de$génération$de$signaux$sismiques.$
$

Seismic(processes(in(magma(conduits(of(Indonesian(volcanoes(
Volcanoseismic$activity$is$the$main$precursory$sign$of$volcanic$eruptions.$The$physical$mechanisms$
associated$with$the$generation$of$this$seismic$activity$are$poorly$understood,$which$limits$our$ability$
to$use$these$precursory$signals$to$predict$the$course$of$an$eruption.$This$thesis$aims$to$strengthen$
the$link$between$seismic$signals$and$the$physical$mechanisms$that$generate$them$thanks$to$a$multi^
parameter$ analysis$ of$ the$ seismic$ activity$ at$ active$ volcanoes$ and$ numerical$ simulations$ of$ the$
generation$of$seismic$signals$in$a$volcanic$conduit.$
The$ first$ part$ consists$ in$ analyzing$ in$ detail$ the$ seismicity$ and$ seismic$ signals$ from$ one$ or$ several$
Indonesian$volcanoes$using$a$range$of$methods$(location,$spectral$analysis,$seismic$antennas,$search$
events$ families,$ velocity$variations$ detection,$ classification$ ...).$ Results$ will$ be$ interpreted$ by$
integrating$observations$and$available$data$(infrasound,$deformation,$electrical$measurements,$ flux$
and$composition$of$gas$...).$This$work$will$be$carried$out$within$the$framework$of$the$ANR$Domerapi$
project$and$VELI$(Indonesian$Volcanoes$Explosives$Laboratory),$focusing$on$the$Merapi$volcano$(Java)$
and$several$volcanoes$in$the$archipelago$of$the$Moluccas$in$cooperation$with$Indonesian$institutions.$
The$ last$ major$ eruption$ of$ Merapi$ was$ in$ 2010$ and$ generated$ abundant$ seismic$ data.$ Its$ current$
activity$is$low.$The$last$two$eruptions$of$Gamalama$volcano$(Moluccas)$occurred$in$2012$and$2014.$
Dukono$and$Ibu$volcanoes$are$in$constant$eruption$since$several$years.$
The$second$part$of$the$thesis$aims$to$study$by$numerical$simulations$the$propagation$of$seismic$wave$
in$ a$ realistic$ model$ of$ volcanic$ conduit.$ The$ comparison$ of$ synthetic$ and$ real$ seismograms$ will$be$
used$to$extract$information$about$the$physical$properties$of$the$magmatic$system$and$the$eruptive$
processes.$Current$simulations$of$this$kind$have$used$highly$simplified$conduit$models$(Chouet,$1985;$
Neuberg,$ 2000;$ Jousset$ et$ al.,$ 2003).$ The$ team$ of$ Geophysics$ ISTerre$ Volcanoes$develops$more$
sophisticated$models$of$fluid$dynamics$dedicated$to$magma$flow.$They$take$into$account$the$solid,$
liquid$ and$ vapor$phases$ present$ in$ the$ magma$and$ provide$ realistic$ distributions$ of$ physical$
properties$such$as$magma$density,$velocity$and$attenuation$of$acoustic$waves$as$a$function$of$depth$
and$radial$position$in$the$conduit.$A$model$adapted$for$Merapi$and$constrained$by$the$results$of$the$
first$ part$ of$ the$ thesis$ will$ be$one^way$coupled$ to$ a$ 2D$ code$ of$ wave$propagation.$ The$ goal$ is$ to$
characterize$the$behavior$ of$conduits$associated$with$the$ generation$of$ various$types$of$event$(LP,$
tornillo,$hybrid$and$harmonic$tremor).$This$will$be$done$thanks$to$the$analysis$of$the$spectral$content$
of$synthetic$seismograms$and$their$dependence$on$geometric$and$acoustic$properties$of$the$conduit.$
Finally,$the$effect$of$the$depth$of$wave$generation$in$the$conduit$on$the$waveforms$will$clarify$the$
generation$of$seismic$multiplets$and$thus$help$us$with$their$interpretation.$
The$ supervision$ of$ the$ thesis$ will$ be$ done$by$ Jean^Philippe$ Métaxian$ and$ Philippe$ Lesage$ with$ the$
participation$of$Alain$Burgisser.$
$
Candidate$profile:$Master$or$engineering$degree$with$experience$in$geophysics,$signal$analysis,$and$
numerical$methods.$
Summary
Volcanoseismic$ activity$ is$ the$ main$ precursory$ sign$ of$ volcanic$ eruptions.$ This$ study$ aims$ to$
strengthen$the$link$between$seismic$signals$and$the$physical$mechanisms$that$generate$them$thanks$
to$a$multiparameter$analysis$of$seismic$activity$at$active$volcanoes$and$numerical$simulations$of$the$
generation$of$seismic$signals.