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Structure, fonctionnement, propriétés d'un système magmatique actif superficiel: Tomographie de résistivité électrique du cratère Halema`uma`u (Kilauea,

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1 Structure, fonctionnement, propriétés d'un système magmatique actif superficiel: Tomographie de résistivité électrique du cratère Halema`uma`u (Kilauea, Hawaii) J.-F. Lénat, L. Gailler, J. Kauahikaua, A. Revil, A. Finizola, E. Delcher

2 Objectifs ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers Accéder en champ proche au système magmatique Lacs de lave actifs = véritable fenêtre sur la colonne magmatique (Tazieff, 1994; Tilling and Peterson, 1993), analogues des systèmes profonds Etudier les propriétés magmatiques et processus (convection magmatique, dégazage,…) fondamentaux dans la compréhension du volcanisme Etudier la structure interne des édifices, les relations avec les structures environnantes 1- Compréhension du système magmatique 2- Quantification des propriétés physiques macroscopiques des magmas Véritables challenges en volcanologie

3 L e cratère Halemaumau (Hawaii) 2008: ouverture dun évent dans la caldera sommitale du Kilauea, colonne magmatique oscillante Site exceptionnel accessible favorable à létude de la structure et de la dynamique magmatique Piston de lave superficiel (~200m): opportunité unique détudier en détail le système magmatique Mieux comprendre la formation du système ainsi que son évolution ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers

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5 1- Radiographie par tomographie de résistivité électrique pour appréhender : - structures superficielles (géométrie du conduit magmatique) - interactions système magmatique - structures environnantes (système hydrothermal, failles d'effondrement, …) - caractéristiques des sources mises en jeu (variations de flux magmatique, dégazage, propriétés macroscopiques du magma) 2- Etudier les propriétés macroscopiques dun système actif en champ proche Synergie des approches et des interprétations issues de plusieurs types dobservation Objectifs du projet ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers Conduire une étude géophysique haute résolution focalisée sur ce site exceptionnel où le magma affleure

6 Signaux acoustiques (Fee et al., 2010) et sismiques (Chouet et al., 2010; Dawson et al., 2010) Source sismicité VLP à 1 km sous la caldera, 500 m au N-NE du nouveau cratère système hydrothermal superficiel A faible profondeur (~500 m): sismicité LP au sein de la caldera (Almendros et al., 2001) flux de magma instable et persistent au sein dun complexe de sills et de dykes Source de la sismicité très longue période (surface bleue ; Dawson et al., 2010). La projection de ce volume et du centroïde de la source est représentée par les régions en ombré gris et points blancs (ouest, nord et base de la perspective). Létoile rouge localise le nouvel évent au sud-est de Halema`uma`u. SL : sea level. Etat des connaissances Cette source, délocalisée vers le NNE, doit faire lobjet dune attention particulière pour assurer la compréhension du système dans son ensemble Nombreux jeux de données (gravimétrie continue, déformation, sismique, imagerie…) ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers

7 Gravimétrie continue (Carbone et al., 2013) 1 ère détermination de la densité dun lac de lave: 950±300 kg m -3 très riche en gaz, expliquant les explosions engendrées par les éboulements de parois dans le lac sommital + de la moitié du volume de lave était occupé par des gaz exsolvés (mars 2011) aléas significatifs en cas de perturbation du système (Orr et al., 2013) a) Section schématique (daprès Orr et al., 2013) du cratère Halema`uma`u, montrant la forme de lévent déduite des observations visuelles. b) Modèle 3D de lévent (252 blocs de 10 x 10 m) proposé par Carbone et al. (2013) pour létude de la densité du lac de lave. Etat des connaissances Etude à compléter par la quantification dautres propriétés physiques ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers

8 Différents profils électriques (dispositifs multi- électrodes ) image haute résolution de résistivité électrique continue des formations ( m de pfd) Résistivité des roches variable (saturation en fluides, présence de minéraux hydratés, température) Instrumentation disponible au LMV: dispositif mi- lourd ABEM SAS 4000 Equipement similaire disponible au Colorado School of Mines (André Revil) ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers Tomographie de résistivité électrique

9 5 profils principaux (1.5 à 2.5 km de long) 2 profils additionnels au S de lévent et dans le secteur des signaux BF au N 2 séries dacquisitions : - espacement inter- électrodes de 40 m ou 20 m, selon l'équipement (LMV ou CSM) - espacement de 5 ou 10 m, avec des profils en "roll-along" dune partie du dispositif Contraindre la résistivité des structures superficielles, tout en assurant une couverture continue des terrains profonds ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers Tomographie de résistivité électrique

10 Sondages électromagnétiques - TDEM (Time Domain Electromagnetic) - TDEM hautement portable (TEMFAST 48) disponible au LMV - sondages (15 à 20 par jour; m de pfd) Polarisation spontanée - approche hydrogéologique complète de cette zone à fort dégazage - 4 profils de 1 à 2 km de long (principaux profils de tomographie électrique) MT et CSAMT - projet de campagne MT et CSAMT supervisé par Erin Wallin (HIGP) en développement sur le cratère Contraindre et étendre rapidement la couverture des mesures de tomographie électrique dans la caldera Compléter cette approche pour assurer une étude géophysique détaillée ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers Données géophysiques complémentaires

11 3D resistivity tomogram and its interpretation of La Fossa di Vulcano using the log of the electrical conductivity (vertical exaggeration 2:1) (Revil et al., 1993). Stromboli volcano (Finizola et al., 2010) Yasur volcano Chaput, 2009) ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers Résultats attendus Modèles de distribution des résistivités calculés à partir de modélisations inverses (Res2Dinv (Loke, 2010)) pour chaque profil

12 Modèles de distribution des résistivités calculés à partir de modélisations inverses (Res2Dinv (Loke, 2010)) pour chaque profil Limplantation proposée permettra de dériver une image partielle en 3D (selon la densité des données) de la caldera (Res3DInv) ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers Informations cruciales pour contraindre la structure du nouvel évent, ses relations avec le cratère Halema`uma`u Résultats attendus Quantification de la résistivité du magma in situ

13 L'importance de réaliser cette étude rapidement est liée à l'opportunité qu'offre l'activité actuelle du Kilauea pour étudier un système magmatique en champ proche Collaborations avec lHawaiian Volcano Observatory (USGS, J. Kauhahikaua) et le Colorado School of Mines (CSM, A. Revil) et lUniversité de la Réunion (LGR, A. Finizola, E. Delcher) -Densité des études menées sur ce phénomène au Kilauea -Site exceptionnel, activité permanente et superficielle Etude en champ proche du magma Valorisation et impact garantis Diffusion scientifique et publications Résultats attendus ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers

14 Nom PrénomLaboratoireRôle dans le projet% participation Kauahikaua Jim (Dr) HVO, HawaiiSupervision sur site20 Eric Delcher (IE) LGSR-IPGP, RéunionInstrumentation30 Revil André (Prof.) CSM, IllinoisMéthodologie et instrumentation40 Finizola Anthony (McF) LGSR-IPGP, RéunionInstrumentation et acquisition des données50 Lénat Jean- François (Phys.) LMV, Clermont- Fd Acquisition, traitement et interprétation80 Gailler Lydie (Post-doc) LMV, Clermont- Fd Ensemble des actions100 ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers Moyens humains + Bénévoles issus du programme de volontariat en place à lHVO

15 ManipMoyens humainsDurée Tomographie électriques personnes15 à 21 jours TDEM2 personnes3 jours PS (fac)2 personnes4 jours ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers Calendrier de mission Soit ~1 mois de mission + Observations de terrain complémentaires

16 ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers Budget prévisionnel Contribution au transport de matériel sur site (Clermont – Ferrand ou Colorado - Hawaii) 1000 Frais de terrain (piles, accessoires divers, carburant, bentonite, …)2000 Fonctionnement 2 A/R avion Clermont-Ferrand - Hawaii3000 Contribution hébergement-nourriture pour 2 personnes, 4 semaines3000 Contribution hébergement-nourriture pour 2 personnes, 2 semaines1500 Participation à la location d'un véhicule 4x41500 Frais de Missions USGS (U.S. Geological Survey)5000 CSM (Colorado School of Mines)1000 LGSR (Laboratoire de GéoSciences de la Réunion)1500 Labex ClerVolc (45 %) Co-financements (55 %)


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