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) L. Gailler, J.-F. Lénat, 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 Hale’mau’mau (Hawaii)  Ouverture en 2008 d’un évent particulièrement actif dans la caldera sommitale du Kilauea, associé à une colonne magmatique oscillante  Site exceptionnel, excellente accessibilité favorable à l’étude de la structure et de la dynamique magmatique  Faible profondeur du piston de lave (~200m): opportunité unique d’étudier en détail le système magmatique  mieux comprendre la formation du système ainsi que son évolution ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers

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

5  Signaux acoustiques (Fee et al., 2010) et sismiques (Chouet et al., 2010; Dawson et al., 2010)  Source de la 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. Etat des connaissances Cette source, délocalisée vers le NNE, doit faire l’objet d’une attention particulière pour assurer la compréhension du système dans son ensemble  Nombreux jeux de données (gravimétrie continue, déformation, sismique, imagerie…) ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers

6  Gravimétrie continue (Carbone et al., 2013)  1 ère détermination de 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. Etat des connaissances Etude à compléter par la quantification d’autres propriétés physiques ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers

7  Déployer différents profils électriques par des dispositifs multi-électrodes  image haute résolution de résistivité électrique continue des formations (400-500 m )  Dans de tels contextes volcaniques, la résistivité des roches peut varier de plusieurs ordres de grandeur (saturation en fluides, présence de minéraux hydratés et 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

8  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 sismiques BF au N  Pour chacun des profils, 2 séries d’acquisitions : - espacement inter- électrodes de 40 m ou 20 m, selon l'équipement utilisé (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 ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers Tomographie de résistivité électrique

9  Sondages électromagnétiques - TDEM (Time Domain Electromagnetic) - TDEM hautement portable (TEMFAST 48) disponible au LMV - sondages (15 à 20 par jour) profondeur classique 100-300 m  Polarisation spontanée - approche hydrogéologique complète de cette zone particulièrement active en termes de dégazage - 4 profils de 1 à 2 km de long le long des principaux profils de tomographie électrique  MT et CSAMT - projet de campagne MT et CSAMT supervisé par Erin Wallin (HIGP) actuellement en développement sur le cratère Halema`uma`u. Contraindre et d’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

10  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) 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

11  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  Valorisation et impact de ce projet garantis Résultats attendus ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers

12 ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers Résultats attendus

13 ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers Résultats attendus 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 (1500 x 2)3000 Contribution hébergement-nourriture pour 2 personnes, 4 semaines3000 Contribution hébergement-nourriture pour 2 personnes, 2 semaines1500 Participation à la location d'un véhicule 4x41500 Missions

14 Contraindre la résistivité des structures superficielles, tout en assurant une couverture continue des terrains profonds Du point de vue des moyens humains, la mise en œuvre des profils sera assurée par les différents porteurs du projet, ainsi que par des bénévoles issus du programme de volontariat en place à l’HVO. Comptant 10 à 15 personnes pour le déploiement, chaque profil représente en moyenne trois jours de terrain, soit 15 à 21 jours environ pour la totalité de l’acquisition. En termes d’interprétation, des modèles de distribution des résistivités seront calculés à partir de modélisations inverses (Res2Dinv (Loke, 2010)) pour chaque profil. L’implantation proposée dans ce projet permettra ensuite de dériver une image partielle en 3D (selon la densité des données) de la caldera (Res3DInv), offrant ainsi des informations cruciales pour contraindre la structure du nouvel évent, mais également ses relations avec le cratère Halema`uma`u. ProblématiqueLe projetLivrablesPlanningAspects financiers