Etude de la dynamique du Geyser Old Faithful, USA, à partir de méthodes de sismique passive

par Estelle Cros

Thèse de doctorat en Sciences de l'univers

Sous la direction de Jean Vandemeulebrouck et de Philippe Roux.

Soutenue le 21-12-2011

à Grenoble , dans le cadre de École doctorale terre, univers, environnement (Grenoble) , en partenariat avec Institut des Sciences de la Terre (équipe de recherche) .

Le président du jury était Michel Campillo.

Le jury était composé de Jean Vandemeulebrouck, Philippe Roux, Andre Revil, Jerôme Mars, Jean Battaglia, Luc Bousquet.

Les rapporteurs étaient Louis Geli, Aldo Zollo, Dimitri Ivanov.


  • Résumé

    Le geyser d'Old Faithful dans le Parc National de Yellowstone, aux États-Unis, est l'undes geysers les plus connus au monde. La cyclicité de ses éruptions est étudiée depuis lesannées 60 a_n de comprendre sa dynamique. En e_et, le caractère bimodal de la fréquencede ses éruptions intriguent les scienti_ques qui cherchent à en connaître les causes.Les enregistrements sismiques réalisés à la surface du geyser démontrent des signauximpulsionnels dont l'origine fut identi_ée par Sharon Kedar. Ainsi, en 1992, S. Kedar etses collègues ont déployé plusieurs capteurs sismiques dans le but d'étudier la source dessignaux sismiques de type tremor enregistrés à la surface du dôme. Ils ont ainsi identi_éla source du signal sismique enregistré à la surface du geyser comme étant des signauxde cavitation de bulles. La cavitation se produisant à la surface du niveau de l'eau dansle conduit, les localisations des sources sismiques réalisées à partir des enregistrements desurface peuvent être reliées au niveau de l'eau dans le conduit.Dans un premier temps nous avons proposé de localiser les sources sismiques desenregistrements à partir de la méthode du Matched Field Processing (MFP) provenantde l'acoustique sous-marine. Plusieurs algorithmes du MFP ont été testés pour pouvoirlocaliser au mieux les sources sismiques. La bonne concordance des résultats obtenus avecchacun des algorithmes a permis d'obtenir un grand nombre de localisations des sourcesau cours du cycle. Les positions déterminées avec les di_érents algorithmes du MFP ontpermis de mettre en évidence deux zones d'activité hydrothermale du geyser associéesà di_érentes périodes du cycle éruptif, telles que le remplissage du conduit avant leséruptions et l'alimentation du geyser en eau une fois la vidange du conduit e_ectuée.Dans un second temps, l'analyse des variations de vitesse des signaux sismiques estproposée pour suivre des changements des propriétés du dôme du geyser, comme des variationsde pression avant l'éruption. Pour cela, une nouvelle méthode basée sur les mesuresde phases instantanées est suggérée. Les résultats obtenus montrent des faibles changementsde vitesse, pouvant être associés à la mise en pression du dôme ou à l'augmentationde la température du milieu avant l'éruption en surface.

  • Titre traduit

    Study of the dynamics of Old Faithful Geyser using passive seismic methods


  • Résumé

    The geyser of Old Faithful in the National Park of Yellowstone, in USA, is one of themost famous geysers in the world. The cyclic behavior of the geyser is studied since the60's with the aim to understand its dynamics. In fact, the bimodal nature of the frequencyof the eruptions raises questions and scientists want to know the causes of this behavior.The seismic signals recorded at the surface of the geyser present pulses whose origin wasidenti_ed by Sharon Kedar. Thus, in 1992, S. Kedar and his colleagues deployed severalseismic sensors in order to study the source of the seismic signals, which are tremor-like,recorded at the surface of the edi_ce. They identi_ed the source of the seismic signalrecorded at the surface of the geyser that they related to bubbles collapse. The bubblescollapse takes place at the surface of the water level in the conduit, thus the localizationsof the seismic sources determined with the records made at the surface would be relatedto the water level in the conduit.In a _rst time we proposed to locate the seismic sources of the records using theMatched Field Processing (MFP), a method used in ocean acoustics. Several algorithmsof the MFP were tested to better localize the seismic sources. The good agreement ofthe di_erent results obtained with each technique allowed to obtain a big number oflocalizations of the sources through the cycle. The locations determined with di_erentalgorithms of MFP allowed to highlight two areas of hydrothermal activities of the geyserlinked to di_erent periods of the eruption's cycle, as the _lling-up of the conduit beforeeruptions and the feeding of the geyser with water once the discharge of the conduitaccomplished.In a second time, the analysis of velocity's changes of the seismic records is proposedto follow changes in the properties of the edi_ce of the geyser, and pressure changes beforean eruption for example. To do that, a new technique based on the measurement of theinstantaneous phases is suggested. The results obtained show weak changes of velocity,that can be related to the pressure buildup of the edi_ce or to the increase of temperaturein the medium before an eruption.


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