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.