Méthodologie et étapes

Introduction :

Les muons atmosphériques sont produits dans la partie supérieure de l'atmosphère, suite aux collisions du rayonnement cosmique avec l'air. Les muons de haute énergie initiale (TeV), peuvent traverser plusieurs km de roches avant désintégration.

Un détecteur de muons placé sur un versant du volcan et enregistre en continu et en temps réel le flux de muons qui traverse l'édifice.

Le flux mesuré dépend du flux (connu) des muons atmosphériques et de l'atténuation des muons pendant leur propagation dans la roche.

Cette atténuation est déterminée par le parcours géométrique des muons dans la roche (modèle précis de la topographie de l'édifice) et de la distribution de densité.

La mesure de cette atténuation du flux de muons (en fonction de leur zénith et azimut) permet la réalisation d'une cartographie densitométrique précise de l'édifice.

Les objectifs du projet Tomuvol sont multiples :

1 : étape de qualification

La première étape de qualification du système d'imagerie tomographique des volcans, a consisté en un déploiement d'un détecteur de muons au pied du Puy de Dôme. Il s’agit d’ un détecteur à gaz (GRPC) dont le premier prototype est constitué de trois chambres d'un mètre carré chacune, avec les plans parallèles entre eux. La distance entre les chambres extérieures est d'un mètre.

Deux campagnes de mesures préliminaires sur le Puy -de-Dôme ont été réalisées en 2011 et 2012. Pour la première campagne, le détecteur était situé à Grotte Taillerie (867ma.s.l, 2 km à l'est du Puy de Dôme) de Janvier à Juillet 2011 pour une étude à long terme avec un détecteur 1/6m².

Pour la deuxième campagne (Février - Mars 2012), le détecteur a été déployé au Col de Ceyssat (1074 m a.s.l., 1.2 km au sud du Puy de Dôme). Il s'agissait cette fois d'une étude à court terme en champ plus proche, mais avec un détecteur deux fois plus grand (1/3m²).

Des simulations complètes ont été effectuées pour les deux géométries, en supposant une densité uniforme de 1,66 g cm-3 pour la cible, et un détecteur de 1m². La structure interne Puy -de-Dôme devrait être accessible dans un délai d'un mois à l'aide d'un détecteur 1m². Ce détecteur a permis, avec quelques semaines de prise de données, la réalisation de la premiere carte densitométrique du Puy de Dôme par cette méthode.

La seconde étape de qualification, a consisté en un perfectionnement du premier instrument. Ce nouveau détecteur (GRPC) est désormais constitué de 24 chambres (6 par plan), disposées parallèlement entre elles. La taille des chambres est adaptée à une cellule de détection de 1/6 de m² Ce dernier est actuellement en place dans le local TdF au pied du Puy de Dôme et devrait permettre après quelques semaines de prise de données d’obtenir une carte densitométrique de l’édifice selon un plan différent.

Il faut noter que le Puy de Dôme fait, depuis quelques années, l'objet de nouvelles recherches dans une collaboration entre des membres du LPC et des membres du LMV (une publication est en cours et une autre en préparation). La complexité morphologique de cet édifice laisse présager une cartographie densitométrique complexe et bien contrastée. Ainsi, dès cette première étape deux types de retombées sont à attendre, aussi bien du point de vue méthodologique qu'en volcanologie.


Schéma de principe des différentes étapes de l’expérience.

2 : étape de perfectionnement

Une fois la qualification de l’appareil réalisée, une étape de perfectionnement est envisagée pour assurer la portabilité et l’autonomie énergétique de l’instrument. L’objectif sera donc d’optimiser les dimensions du détecteur, mais également d’assurer son fonctionnement autonome.

Cette étape sera validée en testant à nouveau le système, cette fois dans un secteur isolé du Puy de Dôme.

3 : Etape de validation opérationnelle

Après ces différentes étapes de qualification de la méthode, l'outil opérationnel sera mis à la disposition d'autres instituts pour des études sur des volcans actifs. En effet, les études sur l'activité volcanique montrent qu'il est important de caractériser la partie supérieure interne d'un volcan et son évolution pour anticiper les éruptions et leurs caractéristiques. Parmi les éléments majeurs du système volcanique qui peuvent être détectés et suivis par l'imagerie muons, on peut citer : le système hydrothermal, les conduits ouverts ou fermés, les zones de fracturations. Des modifications de ces systèmes (dans le temps et l'espace) peuvent se traduire par des variations de densité identifiables en imagerie muons.