Detection, localization and seismic characterization of the Very Low Frequency (VLF) events of the ongoing seismo-volcanic crisis of Mayotte (2018-2022)
Détection, localisation et caractérisation des évènements Very Low Frequency (VLF) de la crise sismo-volcanique de Mayotte (2018-2022)
Résumé
Low frequency transient seismic signals are observed in volcanic context and reflects the dynamics of internal fluids inside the magmatic systems. Their study provides information on the state of the internal stresses and magmatic processes among which fluid transfers and resonances are involved. On November 11, 2018, a unique and atypical 15 s monochromatic signal is worldwide recorded. This Very Low Frequency (VLF) signal is first interpreted as surface waves of volcanic origin, then, as the migration of fluids in a pressurized conduit. It's signal originates from Mayotte island located in the Mozambique Channel (Indian Ocean) which separates Africa from Madagascar. Mayotte is the oldest volcanic island of the Comoros archipelago where the Karthala volcano remains active (Grande Comore), but whose the origin of volcanism is complex and still debated. The November 11, 2018 major event isn't an isolated case. Our catalog contains more than 750 similar events which are part of the seismic crisis initiated on May 10, 2018 at 50 km eastern coast of Mayotte. A new volcanic edifice of 6.55 km3, named Fani Maoré, was discovered by bathymetric surveys during the marine campaign (R/V Marion Dufresne) in May 2019. What is the physical phenomenon that produces VLF events? What information provides their seismic analysis on the state, geometry and volume of the storage zones located in the complex structure of the magmatic system of Mayotte? This thesis is an in-depth study of VLF magmatic signals specific to the context of the seismo-volcanic crisis of Mayotte. Tracing their origin is part of the general understanding of the dynamics of the Mayotte magmatic system reactivated since May 2018. The phenomenological analysis starts with the construction of a specific detector for VLF events based on the 15 s dominant spectral peak and the long decaying oscillation of the signals (up to more than 3000 seconds/50 minutes ). Then, a 3D spatial back-projection localization method is developed taking into account their unconventional character. Finally, a characterization based on the local network waveform inter-correlation is carried out, supported by the OBH [Ocean Bottom Hydrophones] deployed during the oceanographic campaigns supervised by the REVOSIMA [Réseau de Surveillance Volcanologique et Sismologique de Mayotte]. The detection, localization and seismic characterization of VLF events provide information on the source involved. VLF events are spatially located within the 15 km east proximal seismic activity but temporally they are precursors to it. The depth, poorly constrained, will be decisive to trace the source at the origin of the VLF events in the complex magmatic system of Mayotte. The reduction of the depth uncertainties will become the second challenge of this thesis. First, by the teleseismic modelling of the waveform, then, at the local scale, with the contribution of the OBHs, an exploration of the space of the hypocenters and the different types of source is carried out. The focal mechanism includes a non-negligible proportion of CLVD, meaning that a volumetric source inducing a non-brittle fracture dynamics produces VLF events. The source at the origin of the VLFs is located at intermediate depths, between the magmatic underplating equivalent to the MOHO and the seismicity. The physical phenomenon is then interpreted as the movements of fluids in resonance in a magmatic lens reactivated by the seismic crisis of Mayotte and the birth of the Fani Maoré.
Les signaux sismiques transitoires au contenu basses fréquences sont observés en contexte volcanique et traduisent de la dynamique des fluides internes aux systèmes magmatiques. Leur étude permet de renseigner de l'état des contraintes et sur les phénomènes magmatiques internes parmi lesquels des transferts et des résonances de fluides sont impliqués. Le 11 Novembre 2018, un signal aussi unique qu'atypique, monochromatique à 15 s de période, est mondialement enregistré. Ce signal très basses fréquences (nommé Very Low Frequency, VLF) est d'abord interprété comme des ondes de surface d'origine volcanique, puis, comme la migration de fluides dans un conduit pressurisé. Ce signal émane de l'île de Mayotte située dans le canal du Mozambique (océan Indien) qui sépare l'Afrique de Madagascar. Mayotte est la plus ancienne île volcanique qui compose l'archipel des Comores où demeure, encore actif, le volcan du Karthala (Grande Comore) mais dont l'origine du volcanisme est complexe et toujours débattue. L'évènement majeur du 11 Novembre 2018 n'est pas un cas isolé. Notre catalogue recense plus de 750 évènements similaires qui s'intègrent comme une composante de la crise sismique initiée le 10 Mai 2018 à 50 km à l'est des côtes de Mayotte. Un nouvel édifice volcanique de 6.55 km3, nommé Fani Maoré y est découvert par relevés bathymétriques lors de la campagne marine (N/O Marion Dufresne) en Mai 2019. Quel est le phénomène physique qui produit les évènements VLF ? Quels renseignements offrent-ils sur l'état, la géométrie et le volume des zones de stockage présentent dans le système magmatique de Mayotte ? Cette thèse est une étude approfondie des signaux VLF, d'origine magmatique, et spécifiques au contexte de la crise sismo-volcanique de Mayotte. Retracer leur origine s'inscrit dans la compréhension générale de la dynamique du système magmatique de Mayotte réactivé depuis Mai 2018. L'analyse phénoménologique, en premier temps, passe par la construction d'un détecteur spécifique aux évènements VLF basé sur le pic spectral dominant à 15 s de période et de la longue durée des signaux (jusqu'à plus de 3000 secondes/50 minutes). Puis, une méthode de localisation par back-projection spatiale 3D est développée en prenant en compte le caractère non conventionnel de ces signaux. Enfin, une caractérisation basée sur l'inter-corrélation de la forme d'onde est réalisée au sein du réseau de stations locales, appuyées par les OBH [Ocean Bottom Hydrophones] déployés au cours des campagnes océanographiques supervisées par le REVOSIMA [Réseau de Surveillance Volcanologique et Sismologique de Mayotte]. La détection, la localisation et la caractérisation sismique des évènements VLF renseignent sur la source de ces signaux. Les évènements VLF sont associés géographiquement à la sismicité proximale à 15 km des côtes mahoraises mais temporellement ils sont précurseurs à celle-ci. La profondeur, alors peu contrainte, sera déterminante pour retracer la source à l'origine des évènements VLF dans le système magmatique complexe de Mayotte. La réduction des incertitudes sur la profondeur deviendra le second challenge de cette thèse. D'abord, par la modélisation télé-sismique de la forme d'onde, puis, à l'échelle locale, grâce à l'apport des OBH, une exploration de l'espace des hypocentres et des différents types de source est réalisée. Le mécanisme focal comprend une proportion non-négligeable de CLVD, soit une source volumétrique induisant une dynamique de rupture non cassante. La source à l'origine des VLF se localise à des profondeurs intermédiaires, entre le sous-placage magmatique équivalent au MOHO et la sismicité. Le phénomène physique est alors interprété comme les mouvements de fluides en résonance dans une lentille magmatique réactivée par la crise sismique de Mayotte et la naissance du Fani Maoré.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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