PUY DE DôME : Résultats

L’ensemble des résultats issus des deux campagnes préliminaires sont détaillés par Cârloganu et al. (2012) et Portal et al. (2012).

Tomographie muonique : les deux campagnes préliminaires

Figure 1. Schémas de la configuration du détecteur à la Grotte Taillerie: (a) janvier-avril 2011, (b) avril-mai 2011, et (c) mai-juin 2011.

Pour la première campagne du détecteur a été déployée dans Grotte Taillerie, une grotte artificielle souterraine dans laquelle il a été à l'abri de gerbes atmosphériques verticaux de 60 cm de béton. Afin de protéger l'électronique contre l'humidité, en raison d'une forte humidité ambiante, le détecteur a été placé sous une tente d’une feuille de polyéthylène. En outre, un déshumidificateur ventilé air sec sous le chapiteau. L’ensemble de l'installation a été contrôlé à distance à partir du LPC par Wifi. Les données environnementales (température, pression, humidité) ont été enregistrées toutes les 15 minutes et sont archivées dans une base de données. De Janvier à Juillet 2011, un total de 17 millions de candidats de la voie de muons de l'ensemble du ciel a été enregistré avec un rapport cyclique de 91%. Trois configurations de détecteurs différents ont été effectivement utilisés (Figure 1) avec seulement quelques courtes interruptions pour la maintenance du détecteur et des tests systématiques.

La configuration initiale est composée de deux chambres verticales 1m² complétées par une troisième chambre extérieure de 1/6m². L'espacement total entre les trois chambres est de 58 cm. A partir du 6 Avril et pendant trois semaines une chambre de 1m² a remplacé la petite chambre extérieure, augmentant l’espacement total de 1 m. Le 12 mai, la petite chambre de 1/6m² a été remise en place tout en maintenant 1m de distance entre les trois chambres. Le détecteur de muons a été soigneusement aligné par rapport à l' Puy de Dôme en collaboration avec l'Ecole Supérieure des Géomètres et Topographes du Mans (ESGT). Les positions de surface absolues sont fournies par mesures GPS. Les points de référence dans le sous-sol Taillerie ont ensuite été fixés par des mesures tachymétriques à travers les lucarnes du sous-sol. Enfin, les plans de détection des muons ont été positionnés par rapport à ces points. La précision obtenue sur la position finale du détecteur est supérieure à 5 mm.

Afin d'obtenir une meilleure vue sur le sommet du Puy de Dôme, lors de la deuxième campagne, le détecteur a été installé près du volcan au col de Ceyssat à l’Auberge des Gros Manaux. Une quatrième chambre a été utilisé avec un espacement total de 1 m. Un total de 11 millions de candidats ont été enregistrés. La précision du positionnement en collaboration avec ESGT est estimée à cm.

L'ombre du Puy -de-Dôme imagée par le flux de muons atmosphériques, a été mesuré selon les différentes configurations (Fig. 2) .La forme observée est en bon accord avec le contour réel du volcan. Cependant, le taux de piste enregistrée diminue d'un facteur 2 dans la partie inférieure du Puy de Dôme lors de l'augmentation de l'espacement de la chambre de 0.6 à 1 m. Par conséquent, l'analyse des données actuelles et leurs interprétations sont limitées à la partie supérieure du Puy de Dôme.


Figure 2 : Ombre du Puy de Dôme (nombre de muons enregistrés selon différents configurations du détecteur, en fonction de la visée, donnée par deux angles alpha et phi).

A titre d’illustration, les données complètes traitées enregistrées à la Grotte Taillerie ont permis de calculer une carte coefficient de transmission provisoire pour l’édifice. La transmission à travers les rochers a été normalisée par le flux à ciel ouvert mesurée. Nous observons un fort contraste structural au sommet, avec une bande de transmission plus élevée au niveau des flancs et une région de transmission inférieure juste au-dessous du sommet. A la base du Puy de Dôme, malheureusement, les pistes miment une transmission plus élevée.

Comparaison avec les données géophysiques complémentaires


Figure 3 : Comparaison des modèles géophysiques dans la direction nord-sud (axe de la Grotte Taillerie): (a) modèle de tomographie de résistivité électrique ; (b) modèle gravimétrique 3D, (c) Modèle d’opacité du Puy de Dôme (Cârloganu et al., 2012) obtenu lors de la campagne de la Grotte Taillerie avec un détecteur 1/6m².

Par ailleurs, les études géophysiques complémentaires (résistivité de tomographie électrique et gravimétrie) réalisées de 2011 à 2013 on été comparés avec les résultats issus de la tomographie muonique. L’objectif d’une telle approche multi-méthode est de développer une technique pour étudier la structure interne des volcans par tomographie muonique seule ou sous contrainte d'autres méthodes géophysiques traditionnelles. Les résultats préliminaires sur le Puy de Dôme illustrent la corrélation complexe entre les différents paramètres. La densité et la résistivité des modèles sont peu corrélés. C'est pourquoi des estimations quantitatives des paramètres physiques des échantillons sont nécessaires pour comprendre les différences entre la densité et la résistivité. D'autre part, les modèles issus des interprétations des données gravimétriques et muoniques sont comme attendu, mieux corrélées. Les deux modèles montrent un noyau dense situé sous le sommet du volcan, validant clairement les deux méthodes. Pour le reste de la coupole, (hors de la base où le signal de muons est trop faible), d’avantage de structures sont observées. A ce stade, nous n'avons pas effectué une analyse détaillée de ces structures en raison de la nature préliminaire des résultats d'image de radiographie muons. Cependant, on peut noter que même cette image préliminaire fournit un bon aperçu de la précision attendue de l'imagerie muon.

En conclusion, les modèles géophysiques préliminaires fournissent de nouvelles informations sur la structure interne de Puy Dôme mais également sur sa formation. En particulier, ils suggèrent fortement que la construction volcanique n'est pas formé par le dôme seul, mais que ce dernier a été érigé à l'intérieur d'un ensemble de grands cônes de scories préexistants. L’étude des propriétés physiques des roches de l’édifice est également nécessaire pour mieux contraindre les modèles initiaux.

Enfin, le développement d’inversions conjointes est également envisagé afin de construire des modèles compatibles avec les différents paramètres. Cette approche a déjà été appliquée par Nishiyama et al. (2012) pour le mont. Showa-Shinzan dôme de lave.

Bilan de la 1ère phase et perspectives

Les résultats sont très encourageants avec 17 + 11 millions de candidats enregistrés depuis deux directions orthogonales. Le détecteur fonctionne bien en dehors de l’environnement du laboratoire. Le travail d'analyse est en cours afin d'obtenir des résultats quantitatifs avec les estimations systématiques détaillées. En particulier, la pollution de pistes de fond doit être contrôlée afin d'étendre l'image de la densité de la partie inférieure du Puy de Dôme. Une tentative de reconstruction tomographique 3-D du sommet du dôme est néanmoins envisagée. Un nouveau détecteur avec une zone de détection 1m² et un espacement total de 1 m a été déployé en octobre 2013, intégrant quatre GRPC avec une conception modulaire. La conception, la construction et la validation d'un appareil radiographique autonome et portable pour la tomographie du volcan actif constitue la prochaine étape de notre projet.

Instrumentation

Lors des campagnes de mesure, le détecteur de muons sera placé dans différents sites au pied du Puy de Dôme.

Les chambres sont maintenues par un cadre rigide qui permet des changements d'orientation par rapport à l’édifice.

Un système de positionnement relatif des différentes chambres à l'aide d'inclinomètres est nécessaire. Le positionnement absolu du détecteur par rapport au Puy de Dôme est effectué en collaboration avec le cabinet de géomètres de l’EGST du Mans.

L'environnement de mesure est contrôlé en temps réel à l'aide de sondes de température, de pression et hygrométriques, lues par un ordinateur sur place.