Sujet de thèse : Imagerie géophysique des structures volcaniques

Sujet de thèse : Imagerie géophysique des structures volcaniques ; inversions sismique, gravimétrique, magnétique: application à la Soufrière de Guadeloupe. Encadrants : O. Coutant, Physicien , Claire Bouligand, MdC, ISTerre. Le sujet s’inscrit dans le cadre d’études pluridisciplinaires menées depuis plusieurs années sur le volcan de la Soufrière de Guadeloupe aux Antilles. Les objectifs principaux du travail de recherche proposé sont de travailler sur la méthodologie d’inversion conjointe de données géophysiques différentes (sismiques ondes de surface, phases télésismiques ou régionales, mesures gravimétriques et magnétique), d’inverser et interpréter les données acquises sur l’ensemble du complexe volcanique de Basse-­‐Terre. Le contexte : Les volcans Antillais (Soufrière de Guadeloupe, Montagne pelée-­‐Martinique, Soufrière de Montserrat, …) sont des volcans d’arc associés à la subduction Caribéenne, explosifs et actifs dans les temps historiques (respectivement 1976, 1902, 1995). Les risques sismiques et volcaniques ont dans les caraïbes un impact sociétal et économique extrêmement important. Malgré ce contexte, nos connaissances sur la géologie de ces volcans restent limitées. Les études récentes ont été associés à l’éruption de Soufrière Hill à Montserrat avec des tomographies autour de l’île utilisant la sismique marine (Univ. de Bristol) qui localise la zone de stockage magmatique entre 5 et 7km de profondeur. Pour ce qui concerne la Guadeloupe, une imagerie conjointe sismique-­‐gravimétrique a été conduite à l’échelle du dôme de la Soufrière, une imagerie sismique à l’échelle de la subduction de l’arc. Rien n’a été entrepris à l’échelle de l’île volcanique complète. Suite à l’éruption phréatique de 1976, deux hypothèses ont été proposées qui restent toujours d’actualité: éruption mort-­‐née suite à une intrusion profonde ou instabilité d’un système géothermal en refroidissement. Dans ce travail de thèse, on s’intéresse à la structure géologique de la Soufrière, pour produire un modèle des paramètres géophysiques jusqu’à ~10km de profondeur. Les méthodes : L’idée est de combiner plusieurs types de données (sismique, gravimétrique, aéromagnétique) afin de profiter de couvertures géographiques ou de résolutions intrinsèquement différentes (ex latérale versus profondeur). Plus spécifiquement on propose d’aborder les questions suivantes pour la modélisation, puis pour l’inversion: •
A l’échelle de la Guadeloupe (40km x 20km), les ondes de surface extraites des corrélations de bruit sont peu dispersées et affectées par la topographie. Ce contexte est assez général en domaine volcanique et a priori incompatible avec les données d’inversion utilisée (vitesses de groupe). On modélisera donc la propagation des ondes sismiques à l’aide d’une méthode de type Galerkin discontinu (éléments finis) pour mieux comprendre les contraintes et les limitations associées à cette configuration volcanique type, et proposer une correction au 1er ordre. •
Pour l’inversion, une première étape à l’inversion jointe consiste à inverser indépendamment les différents jeux de données pour préciser les covariances sur les mesures. L’inversion de données magnétique et gravimétrique utilise le même formalisme basé sur les champs potentiels. L’inversion des données aéromagnétique sera testée grâce à l’utilisation d’une transformation transformant les anomalies magnétiques en anomalies pseudo-­‐gravimétriques. L’inversion magnétique apporte des informations sur les dates de mise en place des différentes parties du volcan (Gaillet et al., JGR, 2010). Dans une seconde étape on combinera ondes de surface et gravité, un problème résolu par Maceira et al. (2009). Parmi les questions méthodologiques à résoudre, on note i) la discrétisation du milieu (nœuds, couches, gradient,…) et ii) la méthode d’inversion. Dans une étude récente, nous avons choisi une méthode Bayesienne itérative. D’autres solutions sont envisageables (ex Monte-­‐Carlo) pour combiner l’inversion du problème linéaire (gravimétrie) et non linéaire (ondes de surface). Les méthodes mises en œuvre (inversion, modélisation, corrélation, analyse d’ondes de surface) seront utilisées ou développées en collaboration avec plusieurs collègues du laboratoire ISTerre. La partie modélisation sismologique est menée en collaboration avec E. Maufroy postdoctorante ISTerre qui travaille sur la thématique « effet de site». La méthode utilisant un maillage tétraédrique est assez simple à mettre en oeuvre (déjà testée et publiée avec V. Etienne, 2010). Les codes d’analyses d’ondes de surface sont utilisés par différents étudiants de l’équipe et par H. Pedersen. La méthodologie de l’inversion jointe a été testée sur l’aspect gravimétrie-­‐ondes de volume (Coutant, 2012). C Bouligand assure la formation sur les champs potentiels, cours et TP de mesure sur la gravimétrie. Les données : On utilisera les données enregistrées par le réseau sismologique de l’Observatoire de la Soufrière et par des expérimentations temporaires financées par l’ANR Domoscan. Les courbes de dispersion seront déduites des corrélations de bruit sismique. Les mesures de gravimétrie obtenues par H. Gunawan et M. Diament (2005) seront complétées au nord par une nouvelle campagne de mesure prévue en aout et septembre 2012. On s’appuiera également sur les analyses géophysiques des roches réalisées à l’Université des Antilles. Enfin on utilisera un levé aéromagnétique de l’IPGP (Le Mouël et al. 1969). Profil : Le (la) candidat(e) devra posséder des bases et un intérêt sur les méthodes géophysiques, le traitement du signal et les méthodologies d’inversion. A priori, aucun développement numérique n’est à envisager pour les méthodes directes. PhD Thesis research project: Volcano imaging using seismic, gravimetric and magnetic inversions; application to La Soufrière de Guadeloupe. Thesis supervisor : O. Coutant, and C. Bouligand, ISTerre. This research work is proposed in the frame of a 10 years geophysical study of La Soufriere de
Guadeloupe volcano, French Indies. The objective of this work is to realize the geophysical imaging
of Basse-Terre (40km x 20km x 10km), the active volcanic part of Guadeloupe Island. To reach this
goal, we propose to develop a new method and invert jointly surface wave dispersion curves and
gravimetric measurements.
Situation: Lesser Antilles volcanoes (Soufrière de Guadeloupe, Montagne Pelée de Martinique,
Soufrière de Montserrat, …) are active volcanoes associated to the Caribbean subduction zone that
were all active during historical times (respectively 1976, 1902, 1995-to-present). Seismic and
volcanic hazards have then a strong influence on the economical and social local environment. Despite
this situation, the geological structure of these volcanoes remains mostly unknown. Most studies have
been concentrated on Montserrat volcano with several marine seismic profiles used to detect the depth
of the magmatic storage depth. An important IODP campaign is currently performed to investigate the
upper crustal structure around the islands. For the Guadeloupe Soufriere volcano itself, a joint seismic
and gravimetric tomography has been performed at the scale of the upper geothermal system and a
seismic tomographic study has been performed at the subduction arc scale. There are however no
geophysical studies yet dedicated to the entire volcano; Basse-Terre Island and La Grande Découverte
volcanic complex. The two hypotheses that were proposed to explain the 1976 phreatic explosion
remain still debated: a stillborn eruption with a magmatic intrusion or a geothermal instability in a
slowly cooling magmatic storage system. This PhD research work aims at producing a geophysical
model for the entire volcano, down to a 5-10km depth.
Method: We propose to combine different datasets: surface wave dispersion curves gravimetric and
aeromagnetic measurements. The joint inversion of these datasets allows combining different spatial
resolutions and different geographical data coverage. Two main questions need to be addressed to
conduct this work, one for the direct problem, one for the inverse problem:
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The surface waves that propagate across Basse-Terre Island travel on rather short distances
(40km x 20km) and may be affected by the strong topography. These two characteristics are
common in most volcanic situations. We propose to investigate these effects and to quantify
their influence on the quality of the dispersion curves by performing several numerical
simulation of the elastic waves propagation in heterogeneous elastic media with topography.
We will use the finite-element Galerkin-discontinuous implementation (V. Etienne 2010)
available at the laboratory.
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For the joint inversion, a necessary step is to invert separately all datasets. Since the gravity
and magnetic inversion relies on the same methodology based on potential field, we will use a
standard transform to invert both gravity and aeromagnetic data. These last data can provide
interesting constraints on the age of the volcanic edifice. In a second stage, we will combine
gravity and surface waves, a problem solved by Maceira et al (2009) to perform a joint
inversion. The main issues are 1) how to perform the data discretization? 2) What is the most
efficient inversion scheme for this mixed linear-nonlinear problem? In Coutant et al (2012) we
used a collocation grid discretization, a Bayesian formulation with an iterative (quasi-Newton)
deterministic approach. Different formulations can be investigated using different
discretization schemes (e.g. layered med) or inversion methods (e.g. Monte Carlo).
The different methods (inversion, numerical modeling, surface wave dispersion analysis, noise
correlation) will be used or develop in collaboration with colleagues at ISTerre. The surface wave
modeling part will be developped in cooperation with E. Maufroy, a postdoctoral researcher working
on site effects. C. Bouligand is teaching potential field theory and gravity measurements.
Data: Seismic data come from the permanent broadband seismic network of La Soufriere Observatory
and from the temporary experiment run since 2010 by the Domoscan ANR project. Gravity data come
the PhD work by H. Gunawan (2005). A complementary gravity field survey will be performed during
August-September 2012. La Soufriere Volcanic rock geophysical properties will be obtained from
analysis performed at UAG Antilles University. Aeromagnetic data come from an IPGP survey by J.L
Le Mouël.