Les applications géophysiques de la tomographie à l'aide des muons

Présentation de Nolwenn Lesparre (Oreme/IRSN/Géosciences Rennes/IPN Lyon) aux 2èmes Rencontres Scientifiques et Techniques Résif | 12-14 octobre 2015, La Grande Motte

Transcript

1. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Les applications géophysiques de la tomographie à l’aide des muons Nolwenn Lesparre 14 octobre 2015 Rencontres scientifique et technique RESIF
2. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives 1 Principe de la méthode 2 Volcanologie : la Soufrière de Guadeloupe 3 Zones de faille : Tournemire (Aveyron) 4 Conclusions et perspectives
3. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Les muons : définition Particules chargées produites dans l’atmosphère au sein de cascades de particules, Masse : 105 MeV/c2 (électrons → 0, 5 MeV/c2) , Durée de vie de 2, 2 µs. Metres 50 000 40 000 30 000 20 000 10 000 15 000 4 000 3 000 2 000 9 000 8 000 Niveau de la mer 5 000 6 000 7 000 1 000 M Rayon cosmique primaire (Anderson & Neddermeyer, 1936 ; Bartlett, 2004).
4. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Principe Section efficace réduite → faible interaction avec la matière → capacité de traverser plusieurs centaines de mètres de roche. Atténuation du flux de muons à travers la matière, → mesure de l’opacité du milieu : = L ρ(x)dx (g/cm2). ⇒ Déduction de la distribution de la densité Détecteurs de muons Topographie Hétérogénéités θ Muons Tunnel
5. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Principe Section efficace réduite → faible interaction avec la matière → capacité de traverser plusieurs centaines de mètres de roche. Atténuation du flux de muons à travers la matière, → mesure de l’opacité du milieu : = L ρ(x)dx (g/cm2). ⇒ Déduction de la distribution de la densité Mesure du flux de muons Mesures sur échantillons ou diagraphies Mesures gravimétriques
6. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Simulation d’une expérience Modélisation du télescope → angles de vue, acceptance ; Z (m) 400 600 700 750 650 300 200 100 0 0 400 300 200 100 Y (m) X (m)
7. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Simulation d’une expérience Modélisation du télescope → angles de vue, acceptance ; connaissance de la topographie et de la géologie du milieu → épaisseur de roche sondée ; Z (m) 400 600 700 750 650 300 200 100 0 0 400 300 200 100 Y (m) X (m) 680 700 710 690 720 730 740 750 760 770 780 Altitude (m)
8. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Simulation d’une expérience Modélisation du télescope → angles de vue, acceptance ; connaissance de la topographie et de la géologie du milieu → épaisseur de roche sondée ; calcul de l’opacité de la roche ; évaluation des pertes d’énergie ; estimation du flux de muons.
9. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Imagerie de la Soufrière de Guadeloupe L’histoire du volcan présente une succession de formations et effondrements de dômes, Le dôme actuel est traversé par des fractures radiales, il est également fragilisé par une activité hydrothermale intense. (Boudon et al., 2008) (Komorowski et al., 2005)
10. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Mesures du flux de muons
11. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Images de densité moyenne GOUFFRE TARISSAN RAVINE SUD ROCHE FENDUE CRATÈRE SUD Ravine sud Angle azimutal (degré) Inclinaison (degré) ρ =1,3 g/cm³ ref Est Ouest Roche Fendue Angle azimutal (degré) Inclinaison (degré) ρ =1,6 g/cm³ ref Sud Nord Δ ρ (g/cm3) -0.5 -0.4 -0.3 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 (Lesparre et al., 2012)
12. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Observations de variations temporelles Encourage la réalisation de mesures continues du flux de muons, nécessité de couplage à d’autres mesures continues, des capteurs de suivi du Gouffre Tarissan sont en cours d’installation.
13. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives La Station Expérimentale de Tournemire Site destiné à la mise en place d’expériences étayant les dossiers d’expertise de l’IRSN Galeries Forages Bathonien Calcaires, dolomites Bajocien Calcaires, dolomites Aalénien Calcaires Toarcien Argiles, marnes Domérien Marnes Carixien Calcaires Sinémurien Calcaires, dolomites Aquifère supérieure Aquifère inférieure Rivière Soulzon Rivière Cernon Tunnel Faille du Cernon Hettangien Calcaires, dolomites, sables, marnes, évaporites Fournials Tunnel 0 500 1000 1500 1900 m 200 m 300 400 500 600 700 800 S N 200 m 300 400 500 600 700 800 expérimentales Contexte géologique similaire au site de Bure → couche d’argile très peu perméable entre deux aquifères. Structures géologiques délimitées au niveau des galeries → géométrie relativement bien définie à l’échelle du massif. Site exploré à l’aide d’autres méthodes géophysiques → comparaison des différentes méthodes.
14. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Tomographie du massif de Tournemire Configuration du réseau d’acquisition : vue aérienne
15. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Localisation des contrastes de densité Vue de dessus
16. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Localisation des contrastes de densité Vue de profil 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 Densité (g/cm³) 500 550 600 650 700 750 0 50 100 150 200 250 m Altitude (m) Ouest Est
17. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Inversion de la densité 50 100 150 200 250 300 350 400 550 600 650 700 750 Distance (m) Altitude (m) West-East direction 150 200 250 300 350 140 160 180 200 220 240 260 280 N Distance (m) Distance (m) Aerial view at surface 50 100 150 200 250 300 350 400 550 600 650 700 750 Distance (m) Altitude (m) West-East direction 100 150 200 250 300 350 400 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 N Distance (m) Distance (m) Aerial view at surface
18. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Résultats préliminaires 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 500 600 700 800 900 Data number Opacity (m.w.e) Ref Final 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 −20 −10 0 10 20 Data number Var. from ref. (%) 50 100 150 200 250 300 350 400 550 600 650 700 750 Distance (m) Altitude (m) West-East direction 2.3 2.35 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 2.75
19. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Faille du Cernon Variations spatiales de densité 400 450 500 550 600 650 500 550 600 650 700 750 800 600 625 625 650 650 650 650 650 675 675 700 700 700 725 X (m) Y (m) Density (g/cm3) 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 1400 1500 1600 550 600 650 700 750 Distance le long du tunnel (m) Altitude (m) Faille du Cernon 1700 Bathonien Bajocien Aalénien Toarcien Hettangien aquifère N S 2.4 2.45 2.5 2.55 2.6 2.65 2.7 Densité (g/cm³)
20. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Suivi de transferts de masse Étude de faisabilité depuis un château d’eau h(t)= ho+∆h(t) ho= 5 m L= 195 cm 21/ 12/ 14 28/ 12/ 14 04/ 01/ 15 11/ 01/ 15 18/ 01/ 15 temps (GMT) flux normalisé flux normalisé, corrigé des variations de pression fluctuations du niveau d'eau ∆φ/<φ > ∆h(m) <φ >=4,2/s -0,05 0 0,05 0,10 0,15 -1,5 -1 -0,5 0 0,5 -2 (D’après Jourde et al., 2015)
21. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Suivre le flux de muons pour l’hydrologie Applications à l’étude de la dynamique des karsts Bâche Surf. : 6m² Flux lié à la percolation Flux lié au suintement Entrée Gravimètre souterrain Gravimètre en surface Télescope ouvertures de 10° Électrodes (D’après Meauxsoone et al., 2015) Mesures en forage (Photo : S. Procureur, IRFU, CEA)
22. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Remerciements Gilles Alcade, Evelyne Barker, Sylvain Bassot, Justo Cabrera, Christelle Courbet, Pierre Dick, Anthony Julien, Bruno Combes, Patrice Desveaux, Éric Martinez, Jean De Bremond D’Ars, Dominique Gibert, Bruno Kergosien, Serge Gardien, Jean-Christophe Ianigro, Kévin Jourde, Jacques Marteau.
23. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Équation de faisabilité de la tomographie par muons ∆N( 0, δ ) = ∆T × T × ∆I( 0, δ ) > δN , Distribution de Poisson δN = √ N → probabilité 1 − α = 0.68, N( ) = ∆T × T × I( ) , ⇒ ∆T × T > I( 0 ) ∆I2( 0,δ ) . (Lesparre et al., 2010)
24. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Détection de particules chargées Barres de scintillateurs assemblées de manière à former un damier, → localisation de l’interaction. Processus d’ionisation : interaction entre le muon et le détecteur, → émission de photons dans la matière scintillante. Conversion du signal lumineux en signal électrique par le photomultiplicateur
25. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Reconstitution de la trajectoire des particules détectées Détection simultanée d’une particule par deux matrices parallèles, Matrices de 16 × 16 pixels → combinaison de 961 angles de vue.
26. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Flux de muons Particules par unité de surface, d’angle solide et de temps. 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 10−7 10−6 10−5 10−4 10−3 ϱ (hg/cm2 ) I(ϱ,θ) (cm−2 .sr−1 .s−1 ) 0o 30o 60o 75o 80o 85o 90o 0 189 377 566 755 943 1132 Opacité Épaisseur de roche L (m) θ = 70◦ ρ = 2.65 g/cm3 T = 20 cm2.sr Épaisseur Flux de roche de muons 50 m 243 par jour 100 m 75 par jour 500 m 2 par jour 1000 m 0.1 par jour (Gaisser, 1990 ; Tang et al., 2006).
27. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Vers l’imagerie de densité I = N T ∆T 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 10−7 10−6 10−5 10−4 10−3 2 I(ϱ,θ) (cm−2.sr−1.s−1) 0o 30o 60o 75o 80o 85o 90o 0 189 377 566 755 943 1132 Épaisseur de roche L (m)
28. Méthode Volcanologie Tournemire Perspectives Vers l’imagerie de densité I = N T ∆T I(ϱ,θ) (cm−2.sr−1.s−1) 0o Flux mesuré Épaisseur de roche L (m) 0 189 377 566 755 943 1132 ⇒ ¯ ρ = .