Caractérisation des déplacements liés aux coulées de lave au Piton de la Fournaise à partir de données InSAR

InSAR characterization of the displacements related to the lava flows at Piton de la Fournaise

• Auteur / Autrice : Alexis Hrysiewicz
• Direction : Thierry Menand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de l'Univers
• Date : Soutenance le 15/11/2019
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Magmas et Volcans
• Jury : Président / Présidente : Patrick Bachèlery
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Luc Froger, Andrew Harris, Aline Peltier, Valérie Cayol
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Virginie Pinel, Emmanuel Trouvé

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fournaise, Piton de la (Réunion ; volcan)

Glissements de terrain

La Réunion (France ; île)

Volcanologie

Mots clés libres

InSAR

Déplacements

Coulées de lave

Cohérence

Piton de la Fournaise

Rhéologie

Substratum

Glissement de flanc

Surveillance des coulées

InSAR

Displacements

Lava flows

Coherence

Piton de la Fournaise

Rheology

Substratum

Flank sliding

Monitoring of lava flows

Résumé

Depuis 2003, le service d’observation OI2 (Observatoire InSAR de l’Océan Indien), composante du Service National des Observations en Volcanologie (SNOV) analyse les déplacements du sol causés par l’activité volcanique du Piton de la Fournaise en utilisant des données InSAR (Interférométrie Radar à Synthèse d’Ouverture). Un des résultats majeurs est l’identification lors de l’éruption de 2007 d’un déplacement horizontal de plus de 1.4 m de l’ensemble du Flanc Est du Piton de la Fournaise vers la mer. Des résultats plus récents ont montré que ce glissement continuait entre 2009 et 2014 avec une décroissance de la vitesse des déplacements. Il a aussi été montré qu’à ce déplacement de grande longueur d’onde se superposent des déplacements plus localisés dus à la contraction thermo-mécanique des coulées de lave et à la flexion du substratum sous le poids de ces coulées. Il est donc difficile de caractériser précisément et indépendamment ces deux composantes des déplacements affectant le Flanc Est du Piton de la Fournaise. Le principal objectif de cette thèse est de caractériser les déplacements associés aux coulées de lave pour supprimer la contribution des coulées des observations et isoler les signaux qui sont seulement liés à des signaux de grande longueur d’onde. Afin d’atteindre cet objectif, nous avons dû développer des algorithmes permettant de contourner précisément les coulées, d’estimer leur surface et leur volume avec les incertitudes associées. Ces algorithmes exploitent les données de cohérence interférométrique dans une approche probabiliste itérative. Ils sont maintenant utilisés en routine dans le cadre du service OI2 pour fournir aussi rapidement que possible à l’Observatoire Volcanologique du Piton de la Fournaise, des cartes des coulées. L’étude des coulées de lave mises en place entre 2014 et 2018 montre que la contraction thermo-mécanique de la coulée et la flexion du substratum dépendent à la fois de la durée écoulée depuis la mise en place, de l’épaisseur de la coulée, de la pente locale et éventuellement de la structure interne de la coulée (présence de tunnels de lave). Un an après la mise en place, les déplacements verticaux et horizontaux peuvent atteindre plusieurs dizaines de centimètres par an. Ces déplacements diminuent ensuite de façon exponentielle avec le temps. Nous avons cherché à modéliser les déplacements verticaux en fonction de l’épaisseur des coulées. Nos résultats montrent que ces déplacements pourraient contribuer jusqu’à 80% des déplacements mesurés sur le Flanc Est du Piton de la Fournaise. Les déplacements du substratum observés sur le pourtour des coulées apportent des contraintes sur la rhéologie de la partie la plus superficielle de ce substratum. Cette rhéologie apparaît fortement variable au sein de l’Enclos Fouqué révélant une forte dépendance à l’histoire des dépôts successifs accumulés en chaque endroit. Un substratum se comportant de façon poroélastique dans sa partie la plus superficielle (∼ 100 m) permet néanmoins d’expliquer de façon relativement satisfaisante les observations.

Since 2003, the observation national service for the volcanology (SNOV) OI2 have been analyzing the ground surface displacements due to the volcanic eruptions at Piton de la Fournaise using the Interferometry by Synthetic Aperture Radar (InSAR). One of major results is the observation of Eastern seaward flank sliding during the 2007 eruption (around 1.4 m of horizontal displacements). More recent results demonstrated that this sliding continued between 2009 and 2014 with a decreasing of displacement rates. However, this signal is combined with the displacements caused by the lava flows, (thermo-mechanical compaction, substratum flexure under the lava-flow weight), and the signal deconvolution is complex. Consequently, the thesis objective is to characterize these displacements to remove the contribution of lava flows from our observations. Therefore, we should only observe the signals related to the internal volcanic processes. To characterize the lava flows, we have to estimate their displacements, their locations, their surface areas and thicknesses. From the InSAR coherence data, the developped algorithms enable us to extract the lava-flow outlines and estimate the surface area value of the lava flow with the associated uncertainties. They use an iterative and probabilistical approach. These algorithms are now used during effusive crisis at Piton de la Fournaise and are become a product within OI2. The vertical-displacements evolutions of the October 2010 lava flow spanning from mid-2011 to mid-2015 follow an exponential decreasing form with rates of 10’s milimetre per year. Over the same period, the horizontal displacements are negligeable. The results about the displacement rates for lava flows emplaced between 2014 and 2018 show that these displacements are caused by the thermo-mechanical compaction, the substratum flexure, the slope and the lava field structures (as lava tunnels). One year after the emplacement of the lava flow, the vertical displacement rates can reach some 10’s centimetre per year and these values are similar for the horizontal displacements. Modelling of vertical displacements has been made using the lava thicknesses as input parameter. The preliminar results show that the flank sliding amplitude must be reduced of around 80%, (10 mm.yr-1 ) and its location is different from that of the post-2007 period. Finally, the displacements outside lava flows allow a characterization of the substratum rheology. This last one appears variable. Our models estimate that the poroelasticity, with a rheological constrast, (about 100 m-deep), is a possibility to represent the rheology of susbtratum. Ultimately, the precise substratum characterization from the co-eruptive displacements will enable us to better constrain the geometry of magmatic intrusion.