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  Véritables challenges en volcanologie
Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers Objectifs 1- Compréhension du système magmatique 2- Quantification des propriétés physiques macroscopiques des magmas  Véritables challenges en volcanologie  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

3  Mieux comprendre la formation du système ainsi que son évolution
Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers Le cratère Hale’mau’mau (Hawaii) 2008: ouverture d’un évent dans la caldera sommitale du Kilauea, colonne magmatique oscillante Site exceptionnel accessible favorable à l’étude de la structure et de la dynamique magmatique   Piston de lave superficiel (~200m): opportunité unique d’étudier en détail le système magmatique  Mieux comprendre la formation du système ainsi que son évolution  

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5 Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers Objectifs du projet Conduire une étude géophysique haute résolution focalisée sur ce site exceptionnel où le magma affleure 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 d’un système actif en champ proche  Synergie des approches et des interprétations issues de plusieurs types d’observation

6 Etat des connaissances
Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers Etat des connaissances Nombreux jeux de données (gravimétrie continue, déformation, sismique, imagerie…)  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 d’un 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). L’étoile rouge localise le nouvel évent au sud-est de Halema`uma`u. SL : sea level. Cette source, délocalisée vers le NNE, doit faire l’objet d’une attention particulière pour assurer la compréhension du système dans son ensemble

7 Etude à compléter par la quantification d’autres propriétés physiques
Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers Etat des connaissances Gravimétrie continue (Carbone et al., 2013) 1ère détermination de la densité d’un 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 (d’après Orr et al., 2013) du cratère Halema`uma`u, montrant la forme de l’évent déduite des observations visuelles. b) Modèle 3D de l’évent (252 blocs de 10 x 10 m) proposé par Carbone et al. (2013) pour l’étude de la densité du lac de lave. Etude à compléter par la quantification d’autres propriétés physiques

8 Tomographie de résistivité électrique
Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers Tomographie de résistivité électrique  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)

9 Tomographie de résistivité électrique
Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers Tomographie de résistivité électrique  5 profils principaux (1.5 à 2.5 km de long)  2 profils additionnels au S de l’évent et dans le secteur des signaux BF au N  2 séries d’acquisitions : - 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" d’une partie du dispositif Contraindre la résistivité des structures superficielles, tout en assurant une couverture continue des terrains profonds

10 Compléter cette approche pour assurer une étude géophysique détaillée
Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers Données géophysiques complémentaires  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

11 Stromboli volcano (Finizola et al., 2010)
Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers Résultats attendus  Modèles de distribution des résistivités calculés à partir de modélisations inverses (Res2Dinv (Loke, 2010)) pour chaque profil Stromboli volcano (Finizola et al., 2010) 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). Yasur volcano Chaput, 2009)

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

13 Résultats attendus Etude en champ proche du magma
Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers Résultats attendus  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 l’Hawaiian Volcano Observatory (USGS, J. Kauhahikaua) et le Colorado School of Mines (CSM, A. Revil) et l’Université 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

14 Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers Moyens humains Nom Prénom Laboratoire Rôle dans le projet % participation Kauahikaua Jim (Dr) HVO, Hawaii Supervision sur site 20 Eric Delcher (IE) LGSR-IPGP, Réunion Instrumentation 30 Revil André (Prof.) CSM, Illinois Méthodologie et instrumentation 40 Finizola Anthony (McF) Instrumentation et acquisition des données 50 Lénat Jean-François (Phys.) LMV, Clermont- Fd Acquisition, traitement et interprétation 80 Gailler Lydie (Post-doc) Ensemble des actions 100 + Bénévoles issus du programme de volontariat en place à l’HVO

15 Tomographie électriques + Observations de terrain complémentaires
Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers Calendrier de mission Manip Moyens humains Durée Tomographie électriques 10-15 personnes 15 à 21 jours TDEM 2 personnes 3 jours PS (fac) 4 jours Soit ~1 mois de mission + Observations de terrain complémentaires

16 Budget prévisionnel  Labex ClerVolc (45 %)  Co-financements (55 %)
Problématique Le projet Livrables Planning Aspects financiers Budget prévisionnel  Labex ClerVolc (45 %) 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 - Hawaii 3000 Contribution hébergement-nourriture pour 2 personnes, 4 semaines Contribution hébergement-nourriture pour 2 personnes, 2 semaines 1500 Participation à la location d'un véhicule 4x4 Frais de Missions  Co-financements (55 %) USGS (U.S. Geological Survey) 5000 CSM (Colorado School of Mines) 1000 LGSR (Laboratoire de GéoSciences de la Réunion) 1500