Caractérisation spatiale et temporelle de la sismicité volcanique de la Soufrière de Guadeloupe : relation avec le système hydrothermal

par Guillaume Ucciani

Thèse de doctorat en Géophysique

Sous la direction de François Beauducel.


  • Résumé

    Les transferts de masse et de chaleur depuis les profondeurs de la Terre vers la surface se font majori-tairement à travers des systèmes magmatiques s'exprimant par le biais de phénomènes éruptifs variés. La dynamique de ces manifestations, liée aux mouvements de magma en profondeur, est contrôlée une importante diversité de processus physiques et chimiques capable de générer des séismes. Dans ce contexte, les sources sismiques varient en fonction des dynamiques de propagation des fluides (magmatique et/ou hydrothermaux) et du milieu. Dans les systèmes volcaniques, ce milieu est géné¬ralement très hétérogène, fracturé et anisotrope. Ainsi la sismo-volcanologie joue un rôle important dans la surveillance et la compréhension de ces systèmes, ce qui est essentiel pour l'évaluation des comportements éruptifs et leurs évolutions, et pour déterminer les risques pour les populations et les infrastructures. L'un des objectifs de la sismo-volcanologie est de caractériser dans le temps et l'espace les sources sismogènes et d'en déduire les processus qui en sont à l'origine, et les propriétés physiques du milieu. Le volcan de la Soufrière de Guadeloupe est le seul volcan actif de l'archipel, situé au sud de l'île de la Basse-Terre sur l'arc interne des Petites Antilles. Depuis la dernière éruption magmatique majeure (1535 AD), son activité fut essentiellement phréatique avec plusieurs crises, dont la dernière en 1975— 1977. Depuis la réactivation soudaine de l'activité sismique et fumerollienne en 1992, on observe une augmentation progressive de la sismicité de faible énergie et du dégazage dans la zone sommitale. En accord avec les études récentes de géophysique, géochimie et géologie, cette activité contemporaine semble être exclusivement associée au système hydrothermal. En revanche, les relations entre ce sys¬tème hydrothermal très développé et la sismicité sont peu connues. L'objectif de cette thèse est de caractériser la sismicité volcanique observée en essaims sismiques entre 1981 et 2013, et d'examiner les processus volcaniques susceptibles de les générer. Pour y parve- nir, nous conduisons une approche sismologique globale associant des analyses spectrales, statistiques, des problèmes inverses et des méthodes de traitement du signal, de "clustering" et de localisations. Par ailleurs, nous développons une méthode itérative d'inversion des temps de propagation des ondes pour approfondir les modèles de vitesses existants, et une méthode de localisation sur grille, absolue et relative, pour améliorer les résultats de localisation et définir les principales structures sismogènes. La grande diversité des signaux sismiques nous conduit à effectuer plusieurs tests statistiques dans le domaine temporel et le domaine de Fourier afin d'estimer des paramètres fiables d'une analyse par multiplets et d'identifier les sources sismiques répétitives. Suivant cette approche, nous démontrons dans ce manuscrit que la sismicité est essentiellement générée par l'activité du système hydrothermal superficiel. Cette sismicité est distribuée en essaims sismiques d'une duré moyenne de 4 jours répartie en 3 périodes d'activité distinctes. La localisation précise des événements sismiques décrit une plomberie complexe sous le volcan avec deux structures sismogéniques majeures en profondeur et un fort taux de sismicité dans le dôme volcanique. En ac- cord avec les distributions spatiales du rapport de vitesse Vp/Vs et des valeurs de b de la loi de Gutenberg-Richter, nous avons défini trois zones sismiques particulières associées à : (1) la migration des gaz magmatiques, (2) le stockage et le mélange de ces gaz avec les eaux phréatiques, et (3) la mi- gration superficielle des fluides hydrothermaux. L'évolution spatiale de la sismicité au cours du temps fluctuent entre une sismicité diffuse et une sismicité plus concentrée dans les structures principales. Le "clustering" par similarité des formes d'ondes définit peu de familles significatives, consistant avec des processus de fracturation dans un milieu hautement hétérogène et met en évidence un changement soudain de la dynamique après le séisme tectonique des Saintes (21 novembre 2004, Mw=6. 3) situé à une vingtaine de kilomètres du volcan.

  • Titre traduit

    Spatial and temporal caracterisation of the volcanic seismicity of la Soufrière of Guadeloupe : relations with the hydrothermal system


  • Résumé

    Heat and mass transfert from the Earth's interior to the surface occur mainly through magmatic systems in a wide variety of eruptive phenomena. Dynamics of these manifestations, related to magma movement in depth, are controlled by a large range of physical and chemical processes capable of generating seismic event. In this context, seismic sources evolve with dynamic motion of gas, fluid and solid, and the medium of propagation is highly heterogeneous, anisotropic and absorptive, with inter- faces including cracks of ail scales and orientations. Thus, the Volcanic Seismology plays an important role for the monitoring and the understanding of these systems which are critical to our assessment of eruptive behavior and its hazardous impacts. Therefore, one of the fundamental goals of the volcanic seismology is to characterize the dynamic of the volcanic seismicity, follow its spatial and temporal evolution with are related to the extent and evolution of magmatic processes and the physical proper- ties of the medium. La Soufrière is one of many hazardous volcanoes of the inner arc of Lesser Antilles. Located in the south of Basse-Terre island of Guadeloupe, it is the only active volcano of the archipelago. Since the last significant magmatic eruption in 1535 AD, the activity has been phreatic with several crisis. Since 1992 and the brutal renewal of seismic and fumarollic activities, the Guadeloupe Volcanologic and Seismologic Observatory (OVSG-IPGP) has recorded a systematic progressive increasing of the volcanic activity in term of seismicity and degassing. According to the recent physical, chemical and geological studies and without significant deformations of the volcanic structure, the current volcanic activity of la Soufrière volcano is exclusively associated to the well developed hydrothermal system. However, its relations with the seismicity are poorly known. The main goal of my thesis was to characterize the dynamic of the volcanic seismicity observed at la Soufrière between 1981 and 2013 characterized by a seismic burst behavior of low magnitude events and to investigate volcanic processes able to generate it. Developing a coherent framework, I conducted a global seismological approach coupling spectral, statistical, inverse problems, signal processing, clustering and precise locations methods. I worked on an iterative travel time inversion to improve velocity parameters (VpNs ratio and P-velocity model). From results, I performed a systematic grid search location method and developed a relocation process associating double travel time difference and collapsing method. Based on the wide variety of seismic signais, I carried out a whole statistical battery of tests in Fourier and time domains to estimate effi- cient parameters of waveform similarities, and identify precisely repetitive seismic sources. From this consistent seismological framework, I demonstrated that this seismicity is largely gene- rated by shallow hydrothermal fluid seismic sources. I identified a 4 days average of seismic burst duration. Precise locations of seismic events described a complex plumbing system of the volcano with two majors seismogenic structures in depth and a high seismic rate in the dome. According to the distribution in depth of the VpNs ratio and the b-value, I documented 3 mains seismic zones asso- ciated to : (1) the migration of magmatic gas (2) the storage and the mixing of underground water and magmatic gas, and (3) the shallow migration of hydrothermal fluids. Spatial evolution of the seismicity through the time fluctuate between a diffused seismicity to a more concentrated seismicity in majors structures. Waveform cross-correlations revealed a small number of significant families consistent with fracturing processes in a high heterogeneous medium and highlighted a brutal dynamic change after the major local tectonic earthquake of Les Saintes (21 November 2004, Mw=6. 3) located at — 20 km of the volcano.

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  • Détails : 1 vol. (XI-222 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p.195-222

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  • Cote : TS (2015) 117

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  • Cote : 2015 PA07 7117
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