Ecoute sismique de la propagation des dykes: implications mécaniques

Ecoute sismique de la propagation des dykes: implications mécaniques Paola Traversa1, Jean-Robert Grasso1,2 and Valérie Ferrazzini2 Piton de la Fournaise, 6 eruptions, 1 intrusion, 1988-1992 Etna 2002 Miyakejima (Izu, Japan) 2000 1 LGIT, Grenoble; 2 OVPF, La Réunion Paris, 30 Janvier 2008

Objectifs Etudier la réponse sismique due au transfert de magma • Identifier la proportion de sismicité liée aux processus volcaniques • Caracteriser: taux de sismicité et taux d’énergie à partir des séries temporelles d’événements VT qui accompagnent l’intrusion (test PdlF) • Reproductibilité de la réponse à une intrusion basaltique (test sur deux autres volcans) • Implications mecaniques: dynamique d’une intrusion magmatique

Sismicité volcanique • Liée à deux types de processus: • Dans le fluide (transport, thermodynamique...) • Dans la matrice solide: VT (changements de contrainte) • Piton de la Fournaise 1988-2000, evolution temporelle avant éruption: • Augmentation moyenne en loi de puissance • Discontinuité brutale (20eqs/d>200eqs/h) • Crise sismique (essaim VT au-dessous du cone central z>0) Possible fort taux constant pendant la dernière phase Collombet et al. [2003], Grasso & Zaliapin [2004], Aki & Ferrazzini [2000]

Sismicité: volcanique vs tectonique • Séquence d’événements suivant un “mainshock” (“Cascade d’aftershocks”) • Declenchée par interactions entre séismes • Reproductible (modèle ETAS) Loi d’Omori modifiée [Utsu et al., 1995; Helmstetter and Sornette, 2002] Sismicité décorrelée Sismicité correlée • Activité de fond, modelisée par un processus Poissonien homogène • Générée par un chargement externe • Cas d’un volcan: déclenchée par processus volcaniques (changements de pression, transfert de masse)

Sismicité: volcanique vs tectonique • Sismicité tectonique / modèle ETAS: • Decroissance en loi de puissance du taux de sismicité aprés un “mainshock” • Retour au taux de fond • t0≡ occurrence du mainshock, defini comme un quelconque événement (independement de sa magnitude) pas précédé par un autre pendant un temps égal à la médiane entre les Δt • t > t0 sismicité suivant le mainshock (cascade d’aftershocks) PENDANT L’INTRUSION: ~ 99% de la sismicité qui suit un “mainshock” est decorrélée purement induite par les processus volcaniques  bas niveau de bruit Occurrence du mainshock Marsan [2007]

Données • Piton de la Fournaise (1988-1992), 7 crises sismiques (durées: 0.5-4.5 h) dont 6 menant à une éruption. Séries temporelles extraites des signaux analogiques (Md no localisation). • Etna (2002), crise précédant l’eruption du 27 Octobre 2002, durée: 6.3h • Miyakejima (2000), essaim sismique accompagnant l’intrusion juin-juillet 2000, durée: 281.2h Homogénéité de réponse sismique

Activité cumulée pendant l’intrusion Taux constant d’occurrence reproductible par un processus de Poisson homogène (moyenne constante) Tirages aléatoires de la meme dimension que nos séries • Pas d’accélérations ou décélérations, taux ~ constante (m≥mc) N 58 153 199 34 50 N (m≥mc) 44 70 97 2145 Fluctuations dues au sousechantillonage d’un processus de Poisson

Taux d’énérgie • Taux d’energie émis pendant l’intrusion: fluctuant autour d’une valeur moyenne, sans accélérations ni décélerations Fluctuations compatibles avec celles qu’on obtien d’une loi de Gutenberg-Richter avec b constante. Fin injection Début injection

Sismicité pendant le dyke • Taux de sismicité constant • Taux d’energie constant Indépendents de: • Durée (0.5 h à 11 jours) • Magnitude maximale (1.6 à 5.6) • Taille du dyke (~1km à 15 km) • Volume de lave émis INTRUSION DU DYKE: PROCESSUS STATIONNAIRE INDEPENDENT DE L’ECHELLE HETEROGENEITES A PETITE ECHELLE? Taux d’endommagement constant PROPAGATION DYKE ~ FLUAGE SECONDAIRE

Normalisation La geometrie du dyke controle les taux de sismicité et d’energie La densité d’endommagement induite par l’intrusion est du meme ordre de grandeur pour P.F. et Etna (systèmes ouverts). Plus importante pour M.I. (système fermé) • Homogeneiser les catalogues pour enlever les biais induits localement par les reseaux • Rendre comparable les données • Normalisation par: • magnitude de complitude mc = 0.2 • gamme de magnitude Δm * Volume injecté selon Ito & Yoshioka (2002)

Experiences en labo Peel-in-nip device, Salminen et al [2006] Rubin [1995] • Analogie entre sismicité VT (rupture fragile de cisaillement ou de tension dans l’édifice) et AE (rupture fragile génerée pendant experiences de chargement à l’echelle du labo) • Experiences de labo • Tension (MODE I), papier • Défoliage (MODE I), papier • Fluage, roche Experiments carried out by Helsinki University of Technology, Laboratory of Physics (Finland)

Experiences en labo Tesile mode I en papier Fluage secondaire en roche • Propagation du dyke: STATIONNAIRE • En labo: stationnarité reproduite par expériences à déformation controllée  chargementvariable: • Défoliage à déformation controlée • Tension mode I à déformation controlée • Fluage secondaire

Implications pour la propagation INTRUSION DU DYKE: STATIONNAIRE, POSSIBLE PROCESSUS A CHARGEMENT VARIABLE PRESSION A L’ENTREE DU DYKE DIMINUE AU COURS DU TEMPS TAUX D’INJECTION DU MAGMA CONSTANT? Rubin [1995] TAILLE FINIE DU RESERVOIR Inconsistance?

Conclusions -1- • Identification de la réponse sismique (VT) d’un volcan à une intrusion de magma: • Purement controlée par les processus volcaniques (~completement décorrélée) • Taux de sismicité fort et constant • Taux d’énergie fluctuant autour d’une valeur moyenne • Intrusion est un processus stationnaire independent de l’echelle  on ne resoud pas les heterogeneités à petite echelle • Taux d’endommagement constant  vitesse propagation constante: dé-accord avec la théorie?

Conclusions -2- • Normalisation des catalogues: • Geometrie du dyke controlle la generation de la sismicité et l’energie associée • Densité d’endommagement est du meme ordre pour des systèmes ouverts alors que un système fermé nécessite plus d’énergie • Comparaison avec expériences de labo  dyke processus à chargement variable • Taille finie du reservoir

Perspectives • Comparison de la réponse sismique du Piton de la Fournaise aux intrusion magmatiques aprés 1998, extension des considerations? • Comprension des mécanismes physiques impliqués dans la generation de l’activité: analyse de la sismicité induite par différentes processus pour contraindre le parametres rensponsables des specificités identifiées • Modèles mécaniques de roches et fluides qui reproduisent les observations • Application pour la prediction

Loi de Gutenberg-Richter mc Miyakejima 2000 intrusion b = 1.6 b

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