Imagerie et identification des signaux géophysiques distinctifs induits en surface par l'activité hydrothermale

par Aurélie Legaz

Thèse de doctorat en Sciences de la Terre et de l'univers

Sous la direction de Jean-Luc Got et de Jean Vandemeulebrouck.

Soutenue en 2009

à l'Université Savoie Mont Blanc .


  • Résumé

    Ce travail de thèse porte sur l'étude de la structure et du fonctionnement des systèmes hydrothermaux volcaniques. Nous nous sommes attachés à l'étude géophysique multi-méthodes de deux systèmes hydrothermaux : Waimangu, en Nouvelle-Zélande, et la Solfatara, en Italie. Le premier en raison de sa dynamique, et parce qu'il apparait comme une zone laboratoire purement hydrothermale, sans influence magmatique; le second pour l'observation et la caractérisation géophysique d'un panache hydrothermal accessible à la surface. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à la reconnaissance de la structure de Waimangu à grande échelle, et à la caractérisation des principales composantes du système (lacs de cratères, zones fumeroliennes et geysers). Cette étude a permis d'associer les méthodes de potentiel spontané et de résistivité électrique avec des mesures ponctuelles de température et de flux de CO2. Nous avons ensuite ciblé notre étude sur des laboratoires à petite-échelle présents sur Waimangu : Iodine vent, Inferno Crater Lake et le site du Old Geyser. Ces systèmes différent les uns des autres par leur taille, mais aussi par leurs caractéristiques physico-chimiques, qui jouent un rôle determinant dans la sensibilité des méthodes géo-électriques. Sur le site de Iodine Pool, l'application de techniques récentes d'imagerie acoustique sous-marine a permis la localisation précise des sources de bruit hydrothermal. Le suivi par polarisation spontanée d'un évent intermittent a montré une cyclicité dans les signaux, qui peut être expliquée par une variation de hauteur piézométrique. L'application conjointe de l'imagerie acoustique et de l'imagerie électrique sur le site du Old Geyser a mis en évidence la complémentarité des deux techniques dans la localisation d'une structure hydrothermale qui correspond à la fois à une source acoustique et électrique. Dans un troisième temps, nous avons étudié la signature géo-électrique des mouvements de fluides qui accompagnent l'activité cyclique du Lac Inferno. Le suivi temporel de résistivité électrique montre que les variations du lac et les mouvements de fluide observés sont caractérisés par des variations importantes de résistivité dans le sous-sol qui pourraient correspondre à des changements de phase du fluide en profondeur, en accord avec des modélisations analogiques. La campagne réalisée à la Solfatare a permis d'imager le panache hydrothermal par les méthodes électriques (tomographie de résistivité en trois dimensions), acoustiques et thermiques. Nous présentons les résultats obtenus avec la tomographie de résistivité électrique et les mesures de température, qui ont permis de déterminer avec précision les limites spatiales du panache hydrothermal.

  • Titre traduit

    Imaging and identification of distinctive geophysical signals induced is surface by hydrothermal activity


  • Résumé

    This thesis is a study into the structure and functioning of hydrothermal systems. We focused on two areas, Waimangu, New Zealand, and the Phlegrean Fields - Solfatara, Italy, that we observed with several geophysical methods. The first system was chosen owing to its strong dynamics, and because it seems to be purely hydrothermal, without any magmatic influence; the second one allowed the observation and the geophysical characterization of a shallow hydrothermal plume. Our study first aimed to recognize the large scale structure of the Waimangu hydrothermal system, and to characterize its main surface expressions, namely hot lakes, geysers, and fumaroles. For this purpose, we related the self-potential and the electrical resistivity methods to measurements of temperature and CO2 flux. We then concentrated on three small-scale laboratories : Iodine vent, Inferno Crater Lake, and the Old Geyser Site. These areas are different from each other in size and also in their water chemistry, which is a key parameter in the sensitivity of electrical methods. This range enabled us to implement acoustic and electrical imaging techniques on singular systems that have their own dynamics. At Iodine Pool, the implementation of recent imaging techniques from underwater acoustics allowed us to locate hydrothermal noise sources with high accuracy. The self-potential monitoring of an intermittent vent showed cyclic fluctuations that could be explained by a change in the hydraulic head. The joint application of acoustic and electrical imaging at the Old Geyser Site showed how these two techniques complement each other in defining the location of a hydrothermal structure that matches both acoustic and electrical sources. A third step consisted in the study of the geo-electrical signature of fluid movements that relate to the Inferno cyclic activity. Electrical resistivity monitoring highlighted that the observed lake fluctuations are characterized by notable electrical resistivity changes; these variations could be due to phase changes occurring at depth, and are in good agreement with analog modellings. The experiments that have been made at the Solfatara allowed us to image the hydrothermal plume with electrical methods (3-D resistivity tomography), acoustic and thermal measurements. We present the results from both electrical resistivity tomography and temperature data that allowed us to establish the boundaries of the hydrothermal plume.

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  • Détails : 1 vol. (146 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.138-146. Index

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