Etude de la structure superficielle et de l'activité sismique du volcan Arenal, Costa Rica
Résumé
Arenal volcano presents a continuous strombolian explosive activity characterized by permanent lava flows, sporadic pyroclastic flows and intense seismic activity. This activity is monitored since 1974 by the "Observatorio Sismologico y Volcanologico de Arenal y Miravellas (OSIVAM)" of the Instituto Costarricence de Electricidad. In the first part of this work we study the volcanic activity between 1984 to 2000 using data obtained by OSIVAM that we grouped in a unique database. Data were analysed focusing on the volcano's behavior at the time scale of several years. So far it is difficult to establish whether the observed variations of different parameters represent real changes in volcanic activity or not. We highlight limitations of volcanic monitoring system and proposed improvements. The next part of this work consists in a study of the volcanic structure and seismic activity using different dense array data (triangles, semi-circles, profiles, L-array).We first analyzed local structure effects on seismic signals by using data of two profiles deployed at E and W of the volcano. Strong amplitude variations of spectral peaks were observed locally and were studied using the H/V spectral ratio method. We that found the spectral ratios form is independent of the seismic signal used. At certain sites, resonance effects are observed at frequencies that correspond to those of the observed amplifications. S-waves theoretical transfer functions were calculated at each site using seismic refraction velocity models. Both H/V spectral ratios and theoretical transfer functions show a peak at the same frequency if the impedance contrast between the shallow structure and the deep layers is high enough. This shows that the observed amplifications are closely related to site effects. The shallow structure was determined using a spatial correlation method that is based on correlation coefficient estimation between stations of semi-circular arrays. The correlation coefficient inversion method was improved in order to have a better estimate of the surface wave phase velocities. At a site of the W flank of the volcano Rayleigh wave phase velocities vary from 765 m s-1 at 1 Hz to 300 m s-1 at 12 Hz and for Love waves between 780 and 295 m s-1 in the same frequency band. At site at the NE flank, Rayleigh wave velocities range from 1386 to 300 m s-1 and those of Love from 1983 to 315 m s-1. Dispersion curves were inversed in order to obtain velocity models that take available geological data into account. Velocity models are coherent with seismic refraction data and spectral ratios observations. The analysis of continuous broadband records shows a wide range of tremor and explosive event behaviors. Results show the existence of two non-steady oscillating processes having different spectral characteristics that can be activated simultaneously. This suggests that two tremor sources can be active at certain moments. Autoregressive methods bring robust and high-resolution frequency and temporal measures of the spectral peaks. They show that frequencies and quality factors change rapidly with time, reflecting variations of physical properties of the seismic sources.
Le volcan Arenal présente une activité explosive continue de type strombolien caractérisée par l'effusion permanente de coulées de lave, la formation d'écoulements pyroclastiques et une sismicité intense. Cette activité est suivie depuis 1974 par l'Observatorio Sismologico y Vulcanologico de Arenal y Miravalles (OSIVAM) rattaché à l'Institut Costarisien d'Electricité (ICE). Dans la première partie de ce travail, nous avons étudié l'activité volcanique de l'Arenal entre 1986 et 2000 à partir des données obtenues par l'OSIVAM que nous avons regroupées en une base de données unique. Nous avons analysé ces informations en nous focalisant sur le comportement du volcan à l'échelle de plusieurs années. Il est actuellement difficile d'établir si les évolutions des paramètres observés reflètent de réelles modifications de l'activité éruptive de l'Arenal. Nous avons mis en évidence les limites du système de surveillance et nous proposons des améliorations.La suite de ce mémoire est une étude de la structure de l'activité sismique réalisée à l'aide de plusieurs réseaux denses de capteurs (triangles, demi-cercles, profils, réseaux en L). A partir des données de deux profils sismiques déployés à l'Est et l'Ouest du volcan, nous avons analysé les effets de la structure sur les signaux sismo-volcaniques. De fortes variations de l'amplitude des pics spectraux sont observées localement le long des profils. Nous avons étudié ces anomalies en utilisant la méthode des rapports spectraux U/V et avons montré que la forme de ces rapports est indépendante du type de signal utilisé. Les résultats mettent en évidence dans certains sites des effets de résonance à des fréquences qui correspondent à celles des amplifications observées. Des fonctions de transfert théoriques des ondes S ont été calculées en chaque site en utilisant des modèles de vitesse obtenus par sismique réfraction. Lorsqu'il existe un contraste d'impédance suffisant entre les couches peu consolidées et les couches plus profondes les rapports spectraux et les fonctions de transfert présentent des pics de même fréquence. Cela montre le lien entre les amplifications observées et la structure géologique. Nous avons également sondé la structure superficielle de l'Arenal en utilisant la méthode d'auto-corrélation spatiale basée sur le calcul de coefficient de corrélation entre station de réseaux semi-circulaires. Nous avons amélioré l'inversion de ces coefficients pour mieux estimer les vitesses de phase des ondes de surface. A l'ouest du volcan, les vitesses des ondes de Rayleigh varient de 765 m s-1 à 1 Hz à 300 m s-1 à 12 Hz et pour les ondes de Love entre 780 et 295 m-1 dans la même bande de fréquence. A l'est, les vitesses des ondes de Raleigh sont comprises entre 1386 et 300 m s-1 et celle de Love entre 1983 et 315 m s-1. Ces courbes de dispersion ont ensuite été inversées pour obtenir des modèles de structure, en tenant compte des connaissances géologiques disponibles. Les modèles de vitesse obtenus sont cohérents avec les résultats de sismique réfraction et les calculs de rapports spectraux. L 'analyse d'enregistrements continus large bande montre une grande variété de comportement du trémor et des explosions volcaniques. Les résultats révèlent notamment l'existence de deux processus de résonance non stationnaires pouvant se produire simultanément mais ayant des caractéristiques spectrales différentes. Cela suggère qu'à certains moments, deux sources de trémor peuvent être actives. Les méthodes auto-régressives utilisées fournissent des mesures robustes et de haute résolution fréquentielle et temporelle de la fréquence des pics spectraux. Elles montrent également que les fréquences et les facteurs de qualité de ces pics varient rapidement au cours du temps, reflétant des évolutions des propriétés physiques des sources sismo-volcaniques..