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Exemples de résultats à l'Etna avec VOLDORAD

Deux campagnes ont été réalisées à l’Etna. Les premiers tests ont eu lieu en octobre 1998 avec le prototype du radar (VOLDORAD 1). Ils ont permis de valider l’application de la technique à l’étude des éruptions Stromboliennes, par comparaison avec des images vidéos et un modèle balistique (Dubosclard et al., 1999, 2004). Une corrélation temporelle avec le tremor a aussi été mise en évidence.

En 2001, des mesures des épisodes éruptifs Stromboliens du cratère Sud Est ont été réalisées les 4, 7, et 13 juillet avec la version améliorée du radar (VOLDORAD 2, Donnadieu et al., 2003, 2005), depuis un site situé à environ 1km au SSW de l’évent. Quinze épisodes paroxysmaux se sont produit au cratère SE entre le 7 juin et le 17 juillet 2001, celui du 13 juillet au petit matin étant l’un des plus violents. Chaque épisode était caractérisé par une vigoureuse activité Strombolienne culminant en fontaines de lave jusqu’à 700m de hauteur et suivi par une période de dégazage des cratères sommitaux, ainsi que de tranquilles épanchements de lave émanant du flanc nord du cratère SE. Peu après minuit le 17 juillet, une intense fontaine de lave est apparue dans le cratère SE et le Levantino et ce fut le dernier épisode paroxysmal avant l’éruption fissurale de l’été 2001 (17 juillet – 9 août).

Des comptes-rendus scientifiques sont disponibles sur le site de l’INGV de Catane et de superbes photos et videos des éruptions figurent sur les sites web de Tom Pfeiffer, Charles Rivière, Alain Melchior.

(night photos, IPGP).

Ash plume from the SE Crater of Etna, which appeared on July 7, 2001, around 09:14 U.T. (photos: OPGC)

Lors d’une activité Strombolienne ou d’une fontaine de lave, les blocs de lave éjectés suivent des trajectoires essentiellement balistiques. Dans ce cas, il est possible de discriminer les éjectas ascendants et retombants qui croisent les portes du faisceau radar à l’aplomb de l’évent, car ils génèrent des vitesses radiales respectivement positives et négatives dans les spectres Doppler (lorsque le faisceau est incliné vers le haut). L’activité Strombolienne montre un comportement fortement cyclique, qui peut être caractérisé par une analyse par Transformée de Fourrier des pics de puissance ou de vitesse radiale positive, associés aux particules ascendantes éjectées lors de chaque explosion, toutes les 5-6 secondes en moyenne. Un comptage du nombre d’explosions peut également être effectué.

Les vitesses radar maximum apparaissent très bien corrélées aux variations abruptes de l’amplitude du tremor. Cette corrélation suggère que le tremor volcanique à l’Etna est contrôlé par la dynamique des bulles de gaz à faible profondeur dans le conduit magmatique. Cet exemple met en lumière le potentiel du couplage du radar Doppler avec d’autres techniques géophysiques pour obtenir une vision plus complète de la dynamique éruptive, depuis les processus de dégazage dans le conduit en profondeur jusqu’à l’évolution de l’activité en surface.

Lors de l’épisode le plus violent du cratère SE avant l’éruption fissurale de juillet-août 2001, le 13 juillet, des vitesses radiales maximum de 90 m/s en moyenne ont été mesurées pendant plus de 20 mn. De façon remarquable, l’épisode de fontaine de lave, correspondant au maximum de puissance rétrodiffusée et donc au flux de lave le plus élevé a précédé le paroxysme des vitesses (Strombolien violent).

Deux séquences de mesures supplémentaires ont été réalisées pendant l’éruption fissurale, les 29 et 31 juillet 2001, sur un nouveau cône en formation sur le flanc Sud nommé Cono del Laghetto (2570m d’altitude), au nord de La Montagnola. Il a finalement formé un cône de scorie pratiquement symétrique, de près de 97 m de haut, couronné par un large cratère de 150 m de diamètre et 50-60 m de profondeur avec des parois subverticales.

VOLDORAD permet d’étudier l’activité volcanique non seulement à l’échelle d’un épisode éruptif, comme illustré précédemment, mais aussi la dynamique éruptive à des échelles de temps très différentes, depuis la surveillance continue de l’activité volcanique sur le long terme, jusqu’aux détails de la dynamique de phénomènes de quelques secondes (Donnadieu et al., 2005). La fréquence d’acquisition des spectres Doppler, jusqu’à 15 Hz, donne accès par exemple à l’évolution temporelle de la vitesse des particules durant l’émission d’un jet de lave, avec de fortes valeurs initiales, impliquant des accélérations radiales supérieures à 1000 m/s2, immédiatement suivies d’une décroissance exponentielle sur plusieurs secondes. Bien que les oscillations des vitesses autour de cette loi de décroissance suggèrent une cinétique et une cinématique plus complexes dans le détail, ce type d’information apporte de fortes contraintes sur les modèles physiques de jet et les conditions à la source (surpression, taille de bulle etc).

Lors d’explosions Stromboliennes quasi-instantanées, l’écho maximum enregistré par le radar correspond à l’instant où l’essentiel de la masse éjectée se retrouve dans le faisceau. La valeur maximum de puissance rétrodiffusée peut alors être inversée pour estimer la masse d’éjectas avec un modèle de diffusion électromagnétique (Mie, Rayleigh), et moyennant une estimation de la distribution des tailles des particules par d’autres moyens, de terrain ou de télédétection. Pour deux explosions contrastées de bulle de lave lors du paroxysme Strombolien du 4 juillet 2001, l’une très diluée éjectant peu de pyroclastes et l’autre très chargée en blocs, les résultats ont donné au premier ordre des masses maximales de 58 et 206 tonnes respectivement (Gouhier and Donnadieu, 2008), des flux massiques de 26 et 74 t/s, des volumes de 38 et 135 m3 (22 et76 m3 DRE), et des gammes de concentration en particules entre 0.02-0.4 et 0.06-0.12 kg/m3. Les énergies cinétiques moyennes qui en découlent sont de 4.2*107 et 3.9*109 J et les énergies thermiques de 8.4*1010 et 3*1011 J.

L’analyse des formes de spectres Doppler permet également d’extraire des informations statistiques sur la géométrie des jets. Environ 8% des explosions sont des bulles de lave hémisphériques avec une signature Doppler typique en top-hat, alors que cette dernière sera triangulaire pour des explosions sous le niveau du cratère et dont on ne perçoit que le jet de particules de lave. La valeur maximum du pic de puissance dans les spectres Doppler indique également l’inclinaison du jet de lave dans l’axe du faisceau. L’analyse des séries temporelles des échos radar pour 200 explosions Stromboliennes montre, d’un point de vue statistique, que l’ouverture typique du cône d’éjection isotrope est d’environ 40°, et 80% de la charge en particule est concentrée dans ce cône de 40° centrée sur la verticale (Gouhier and Donnadieu, 2010).

Doppler velocity spectra integrated over 1 s showing a sharp increaseA of the power associated with positive velocities (uprising particles), then a progressive decrease for about 5 s, then another sudden increase. Meanwhile, the power associated with negative velocities (falling particles) remains fairly constant. 11 October 1998 data (Dubosclard et al., 2004).

Maximum radial velocities recorded on July 4, 2001, shown for a 100 s sequence. Below, FFT have been computed on 100 s samples every hour. They show that the frequency content of the signal is mainly comprised between 0.1 and 0.2 Hz and does not vary much with time. The cyclic pattern is best displayed around 21h where the FFT amplitude is maximum and decreases later on when the eruption intensity fades away.

Maximum radial velocities measured during the explosive growth of the Laghetto cone, on July 29, 2001, for a jet pulse lasting about 11 seconds. Inferred vertical velocitites are also indicated. [From Donnadieu et al., 2005].