Presentation_paola

Ecoute sismique de la
propagation des dykes:
implications mécaniques
Paola Traversa1, Jean-Robert Grasso1,2 and Valérie Ferrazzini2
1
LGIT, Grenoble; 2 OVPF, La Réunion
Piton de la Fournaise, 6 eruptions, 1 intrusion, 1988-1992
Etna 2002
Miyakejima (Izu, Japan) 2000
Paris, 30 Janvier 2008
Objectifs
Etudier la réponse sismique due au transfert de
magma
• Identifier la proportion de sismicité liée aux
processus volcaniques
• Caracteriser: taux de sismicité et taux d’énergie
à partir des séries temporelles d’événements VT
qui accompagnent l’intrusion (test PdlF)
• Reproductibilité de la réponse à une intrusion
basaltique (test sur deux autres volcans)
• Implications mecaniques: dynamique d’une
intrusion magmatique
Sismicité volcanique
• Liée à deux types de processus:
• Dans le fluide (transport, thermodynamique...)
• Dans la matrice solide: VT (changements de
contrainte)
Piton de la Fournaise 1988-2000,
evolution temporelle avant
éruption:
1. Augmentation moyenne en loi de
puissance
2. Discontinuité brutale
(20eqs/d>200eqs/h)
Possible
fort taux
constant
3. Crise
sismique
(essaim
VT aupendantdu
la dernière
phase
dessous
cone central
z>0)
Collombet et al. [2003], Grasso & Zaliapin [2004], Aki & Ferrazzini [2000]
Sismicité: volcanique vs tectonique

N  0   i (t )
t t i
Loi d’Omori modifiée
[Utsu et al., 1995; Helmstetter and
Sornette, 2002]
Sismicité décorrelée
• Activité de fond, modelisée par
un processus Poissonien
homogène
• Générée par un chargement
externe
• Cas d’un volcan: déclenchée
par processus volcaniques
(changements de pression,
transfert de masse)
Sismicité correlée
• Séquence d’événements
suivant un “mainshock”
(“Cascade d’aftershocks”)
• Declenchée par interactions
entre séismes
• Reproductible (modèle ETAS)
Sismicité: volcanique vs tectonique
Sismicité tectonique / modèle ETAS:
1. Decroissance en loi de
puissance du taux de sismicité
aprés un “mainshock”
2. Retour au taux de fond
Background
1
tp
Correlated
PENDANT L’INTRUSION:
~ 99% de la sismicité qui suit
un “mainshock” est
decorrélée
purement
Occurrence du
mainshock
induite par les processus
volcaniques  bas niveau de
bruit
Marsan [2007]
Uncorrelated
t0 ≡ occurrence du mainshock, defini comme un
quelconque événement (independement
de sa magnitude) pas précédé par un autre
pendant un temps égal à la médiane entre
les Δt
t > t0 sismicité suivant le mainshock (cascade
d’aftershocks)
Données
• Piton de la Fournaise (1988-1992), 7 crises
sismiques (durées: 0.5-4.5 h) dont 6 menant à
une éruption. Séries temporelles extraites des
signaux analogiques (Md no localisation).
• Etna (2002), crise précédant l’eruption du 27
Octobre 2002, durée: 6.3h
• Miyakejima (2000), essaim sismique
accompagnant l’intrusion juin-juillet 2000, durée:
281.2h
Homogénéité de réponse sismique
Activité cumulée pendant l’intrusion
• Pas d’accélérations ou décélérations, taux ~
constante
Taux constant d’occurrence
reproductible par un
processus de Poisson
homogène (moyenne
constante)
P( x) 
x e  
(m≥mc)
x!
Tirages aléatoires de la
meme dimension que nos
séries
Fluctuations dues au
sousechantillonage d’un
processus de Poisson
N (m≥mc)
70
2145
N
58
153
199
34
50
44
97
Taux d’énérgie
• Taux d’energie émis pendant l’intrusion:
fluctuant autour d’une valeur moyenne, sans
accélérations ni décélerations
Fluctuations compatibles
avec celles qu’on obtien
d’une loi de GutenbergRichter avec b constante.
Début injection
Fin injection
Sismicité pendant le dyke
• Taux de sismicité constant
• Taux d’energie constant
Indépendents de:
• Durée (0.5 h à 11 jours)
• Magnitude maximale (1.6 à 5.6)
• Taille du dyke (~1km à 15 km)
• Volume de lave émis
INTRUSION DU DYKE: PROCESSUS
STATIONNAIRE INDEPENDENT DE L’ECHELLE
HETEROGENEITES A PETITE ECHELLE?
Taux d’endommagement constant
PROPAGATION DYKE ~ FLUAGE SECONDAIRE
Normalisation
• Homogeneiser les catalogues pour enlever les biais induits
La geometrie du dyke controle les taux de sismicité et
localement par les reseaux
d’energie
• Rendre comparable les données
La densité d’endommagement induite par l’intrusion est
• du
Normalisation par:
meme ordre de grandeur pour P.F. et
Etna (systèmes

• magnitude de complitude mc = 0.2
b ( mc  mcfermé)
*)
bm
ouverts). Plus importante pour N
M.I.
(système
*

N

10

10
• gamme de magnitude Δm
EQ
INTR.
DYKE
Duration
(h)
Mmax
b
Ň
(eqs/day)
b
(km)
U
(m/s)
Ň/S
(eqs/km2)
Verup
(*106 m3)
<P.F.>
0.5–4.5
1.6–2.6
0.9–1.4
4x103
<~1
0.2-2
4x103
0–30
ETNA
6.3
4.2
1.2
1.3x105
6.6
0.3
4.3x103
10
M.I.
281.2
5.6
1.6
4.6x106
15
0.03
2.4–
3.8x104
2800*
* Volume injecté selon Ito & Yoshioka (2002)
Experiences en labo
• Analogie entre sismicité VT (rupture fragile de cisaillement
ou de tension dans l’édifice) et AE (rupture fragile génerée
pendant experiences de chargement à l’echelle du labo)
• Experiences de labo
• Tension (MODE I), papier
• Défoliage (MODE I), papier
• Fluage, roche
Peel-in-nip device, Salminen et al [2006]
Rubin [1995]
Experiments carried out by Helsinki
University of Technology, Laboratory of
Physics (Finland)
Experiences en labo
• Propagation du dyke: STATIONNAIRE
• En labo: stationnarité reproduite par
expériences à déformation controllée
 chargement variable:
• Défoliage à
Tesile mode I en papier
déformation controlée
• Tension mode I à
déformation controlée
• Fluage secondaire
Fluage secondaire en roche
Implications pour la propagation
INTRUSION DU DYKE: STATIONNAIRE, POSSIBLE
PROCESSUS A CHARGEMENT VARIABLE
PRESSION A L’ENTREE
DU DYKE DIMINUE AU
COURS DU TEMPS
TAUX D’INJECTION
DU MAGMA
CONSTANT?
U  ( 1 6 , p03 , M 2 , l )
Rubin [1995]
TAILLE FINIE DU
RESERVOIR
Inconsistance?
Conclusions -1• Identification de la réponse sismique (VT) d’un
volcan à une intrusion de magma:
• Purement controlée par les processus
volcaniques (~completement décorrélée)
• Taux de sismicité fort et constant
• Taux d’énergie fluctuant autour d’une valeur
moyenne
• Intrusion est un processus stationnaire
independent de l’echelle  on ne resoud pas les
heterogeneités à petite echelle
• Taux d’endommagement constant  vitesse
propagation constante: dé-accord avec la
théorie?
Conclusions -2• Normalisation des catalogues:
• Geometrie du dyke controlle la generation de
la sismicité et l’energie associée
• Densité d’endommagement est du meme
ordre pour des systèmes ouverts alors que un
système fermé nécessite plus d’énergie
• Comparaison avec expériences de labo 
dyke processus à chargement variable
• Taille finie du reservoir
Perspectives
• Comparison de la réponse sismique du Piton
de la Fournaise aux intrusion magmatiques
aprés 1998, extension des considerations?
• Comprension des mécanismes physiques
impliqués dans la generation de l’activité:
analyse de la sismicité induite par différentes
processus pour contraindre le parametres
rensponsables des specificités identifiées
• Modèles mécaniques de roches et fluides qui
reproduisent les observations
• Application pour la prediction
Loi de Gutenberg-Richter
mc
Miyakejima 2000
intrusion
b = 1.6
b