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Géosciences Rennes
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Géomagnétisme et développement de méthodes d’imagerie en géophysique

Personnels permanents : Annick CHAUVIN (Pr.), Frédéric CONIL (Ing.), Philippe DUFRESNE (Ing.), Dominique GIBERT (Pr.), Bruno KERGOSIEN (Ing.), Philippe LANOS (C.R.), Florence NICOLLIN (M.C.), Pierrick ROPERCH (D.R.)

Doctorants : Hassina BOUKERBOUT, Frédéric CONIL, Stéphanie GAUTIER, Agnès GRISLIN-MOUËZY, Sandie LE CONTE, Miriam GOMEZ-PACCARD, César ARRIAGADA.

Financements : CPER Ifremer « sismique marine  », CPER Ifremer « acoustique sous-marine  », GdR CNRS/ANDRA « ForPro  », Programme Européen « NF-PRO, ACI « Ã‰tude pluridisciplinaire de la Soufrière de Guadeloupe  », contrats industriels société Diginext, GDR Européen CNRS "datation des terres cuites architecturales" ; European Research Training Network “AARCH†, programmes IT et DyETI (INSU, CNRS) ; ECOS Nord Mexique-France ; Coopération franco-italienne (Univ. Rennes 2)



1. METHODES D’IMAGERIE

- Voir le site Numerical volcano

Les travaux effectués en imagerie pendant la période de référence sont conformes avec ce qui avait été prévu dans le précédent quadriennal où nous annoncions que « l’accent va être mis sur le passage au terrain en endoscopie sismique et en tomographie électrique  ». C’est ainsi que de nombreuses opérations de terrain ont été effectuées dans le laboratoire souterrain du Mont Terri (Suisse) dans le cadre de nos projets de recherches soutenus par le GdR ForPro et le programme Européen NF-PRO consacré au stockage souterrain des déchets radioactifs (Gibert et al., 2006). Les autres missions de terrain se sont déroulées sur la Soufrière de Guadeloupe dans le cadre d’un projet d’ACI dont nous sommes responsables (Nicollin et al., 2006). L’important développement de nos actions sur le terrain n’a pas stoppé les travaux expérimentaux en acoustique (Le Gonidec et al. 2002, 2003 ; Conil et al., 2004 ; Gautier et Gibert, 2004) et les travaux théoriques (Le Gonidec et Gibert, 2006) et de modélisation (Pessel et Gibert, 2003 ; Gautier et Gibert, 2005) soutenus par deux CPER coordonnés par l’Ifremer. Le départ en détachement et le non remplacement de Frédéric Conil ont mis un coup d’arrêt aux développements de prototypes d’endoscopie sismique (Nicollin et al., 2002) ; en revanche, la réalisation d’un système de tomographie électrique fréquentielle a été engagée avec Bruno Kergosien.

Les principaux résultats acquis durant la période de référence sont :

• La réalisation d’un important programme expérimental d’imagerie spatio-temporelle acoustique et électrique de l’endommagement de parois de galeries.

• La réalisation d’un programme d’imagerie géophysique de la Soufrière de Guadeloupe.

• La mise en oeuvre de notre dernier prototype d’endoscope sismique dans les galeries du Mont Terri (Suisse).

• La poursuite de notre programme expérimental et théorique sur la diffusion multiple des ondes : modélisation par milieux effectifs, inversion de paramètres de rugosité, etc..

• La mise au point d’une méthode d’analyse par ondelettes 3D des champs de potentiel.

• L’étude, sur plusieurs années, de l’activité électrique des arbres.

1.1. Laboratoire souterrain du Mont Terri (D. Gibert, F. Nicollin, B. Kergosien, F. Conil)

Les opérations de terrain ont commencé en juillet 2004 par l’installation d’un réseau d’électrodes permettant de suivre l’évolution de l’endommagement des parois lors du creusement d’une galerie. Plusieurs missions ont ensuite eu lieu pour répéter les mesures et effectuer diverses opérations de maintenances des équipements. Les données recueillies ont permis de mettre en évidence une importante extension de la zone endommagée provoquée par la libération de contraintes consécutive au creusement de la galerie (Gibert et al., 2006).
Des expériences d’endoscopie sismique ont également eu lieu dans deux forages situés dans la même zone. L’endoscope a été utilisé àla fois comme antenne passive et comme outil actif autonome. La tomographie d’atténuation (Nicollin et al., en préparation) met en évidence des bandes d’endommagement très cohérentes avec les cartographies structurales.


Fig.1 coupes de résistivité apparente montrant l’évolution de l’endommagement autour d’une galerie en cours de creusement. Les zones rouges sont les zones de forte résistivité électrique indicatrices de fissuration du massif rocheux


1.2. Soufrière de Guadeloupe (D. Gibert, F. Nicollin)

La première mission de tomographie électrique a eu lieu en décembre 2001 et les missions qui ont suivi ont permis d’acquérir un ensemble de données de tomographie électrique couvrant l’ensemble du dôme volcanique et permettant une vision de sa structure interne (Nicollin et al., 2006). En tant que coordinateurs du programme d’ACI d’étude pluridisciplinaire de la Soufrière, nous nous sommes investis dans d’autres opérations de terrain en partenariat avec les laboratoires partenaires (IPGP, LGIT, OPGC, Orsay, ...). Nous avons en particulier initié un programme d’étude et d’instrumentation du gouffre Tarissan dont l’activité hydrothermale a fortement évolué depuis 2000. Nous avons également initié un projet de « volcan numérique  » dont la mise en place constitue une priorité pour 2007-2008.


Fig. 2 : tomographie électrique du dôme de la Soufrière de Guadeloupe montrant l’existence d’un chenal hydrothermal de forte conductivité électrique (en bleu) alimentant les fumerolles situées au sommet de l’édifice


1.3. Projet "Imagerie fonctionnelle des systèmes géologiques complexes"

L’objectif est de développer et appliquer de nouvelles méthodes physiques d’auscultation des milieux fortement hétérogènes évoluant dans le temps. Les développements concernent l’exploitation de nouveaux observables, la mise au point d’algorithmes d’inversion et la conception de prototypes permettant la validation expérimentale des méthodes. Deux axes principaux sont suivis : l’imagerie acoustique en régime de diffusion multiple et la tomographie d’impédance électrique. La période 2007-2010 sera largement consacrée àdes expériences sur le terrain : volcans et galeries de stockage des déchets radioactifs. En volcanologie, nous poursuivrons nos travaux de tomographie électrique de la Soufrière de Guadeloupe où notre prototype de tomographie d’impédance sera testé pour obtenir une caractérisation physico-chimique des formations. Des travaux sur la Soufrière de Montserrat sont également prévus.
Nos travaux effectués dans le cadre des études sur le stockage des déchets radioactifs concernent la caractérisation de la zone endommagée entourant les galeries. Nous utilisons conjointement les méthodes acoustiques et électriques pour évaluer l’extension et le degré de fissuration de la zone endommagée. Notre prototype d’endoscopie sismique, mis en oeuvre pour la première fois en 2005 au Mont Terri, sera utilisé pour des acquisitions non-standards : tomographie par corrélation du bruit sismique, tomographie directionnelle et multi-fréquence, acoustique non-linéaire. Les travaux sur le terrain seront complétés, au laboratoire, par des expériences de validation et l’étude des phénoménologies exploitées dans les méthodes : imagerie en diffusion multiple, rétrodiffusion par des interfaces rugueuses, tests des prototypes, mesures sur échantillons, etc..


2. GEO-ARCHEO-PALEOMAGNETISME

Nos recherches ont plusieurs finalités. Le premier objectif est de mieux caractériser la variation séculaire du champ géomagnétique, àdifférentes échelles de temps. En parallèle nous menons des travaux méthodologiques sur la modélisation chronologique et sur la reconnaissance des artéfacts lors de l’acquisition de l’aimantation rémanente des roches et des terres cuites. Enfin nous utilisons l’aimantation des roches comme marqueurs de la déformation crustale ou du mode de mise en place des magmas ou comme outil de datation lors des processus de minéralisation

2.1. Etude de la variation séculaire très récente

L’étude des variations rapides du champ magnétique en relation avec le mouvement du pôle de rotation terrestre a été poursuivie avec, notamment, un test du pouvoir prédictif du modèle établi par Gibert et al. [1998]. Ce modèle a en effet été prolongé jusqu’en 2000 et a permis d’intégrer un saut de phase dans le mouvement de Chandler en relation avec la secousse géomagnétique de 1991. Ces résultats [Bellanger et al., 2002] confirme le rôle du noyau dans l’excitation du mouvement de Chandler.

2.2. Variation séculaire sur les derniers millénaires

Nous avons poursuivi l’élaboration de courbes de référence pour les variations du champ. En terme de variation directionnelle nous avons participé àl’élaboration des courbes de référence pour l’Allemagne, l’Autriche (Schnepp et Lanos, 2003, 2005 et 2006) et l’Espagne (Gomez-Paccard, 2006, Gomez-Paccard et al, 2006a,b,c). En terme de variation d’intensité nous avons proposé des courbes des variations d’intensité, calculées par méthodes bayesiennes, pour l’Europe de l’Ouest (Gomez-Paccard, 2006a) et pour la Grèce (De Marco, 2006). Il apparait ainsi qu’en Europe de l’Ouest, trois périodes (-125, 200 et 1350 AD) sont marquées par des changements directionnels majeurs qui semblent avoir un caractère local. Parallèlement l’intensité du champ paraît stable du 1er au 5ième et du 13ième au 15ième siècle, alors que depuis sa décroissance est forte. Enfin nous apportons de nouvelles données archéomagnétiques pour les deux premiers siècles avant JC àtravers une étude conduite en Italie (Hill et al, 2006). En octobre 2005 nous avons organisé àRennes le 4ème workshop du réseau de formation européen "AARCH".


Fig. 3 Courbes de variation séculaires (déclinaison-inclinaison) pour l’Espagne et l’Allemagne sur les 3 derniers millénaires


2.4. Variations séculaires àl’échelle des temps géologiques

La durée de l’inversion de polarité la plus récente (Bruhnes-Matuyama) a été estimée pour la première fois àpartir d’une synthèse des données paléomagnétiques disponibles et d’une série de datations Ar-Ar. Ce changement de polarité se serait effectué en 18 ka (Singer et al., 2005). Une telle durée est en accord avec les modèles qui envisagent qu’une inversion ne réussit que si le champ s’inverse àla fois dans le noyau externe et dans la graine.
Nos travaux sur des sections volcaniques Tertiaires de la ceinture volcanique trans-mexicaine et de la Basse Californie ont pour le moment permis d’obtenir environ cinquante données de paléointensité de bonne qualité. Des datations radiochronologiques sont en cours avant publication de ces travaux.

2.5. Travaux méthodologiques

Nous avons proposé, àpartir de l’étude de laves historiques, un nouveau critère pour l’interprétation données de paléointensité du champ (Chauvin et al., 2005). Une étude d’un four de potier contemporain nous a également permis de montrer que des données (directionnelles et d’intensité) de bonne qualité peuvent être obtenues même sur du matériel possédant une aimantation relativement complexe (Catanzariti et al., 2006). Enfin, nos résultats d’archéointensité (sur des sites contemporains ou anciens) montrent clairement la nécessaire prise en compte de l’effet de la vitesse de refroidissement lors de expériences de paléointensité. Le cadre théorique de l’approche bayesienne pour le calcul des courbes de référence et pour la datation archéomagnétiques (en adaptant la procédure utilisée pour la calibration dendrochronologique des âges 14C) est maintenant publié (Lanos, 2004, Lanos et al., 2005). Nous avons travaillé en collaboration avec des mathématiciens de l’IRM àRennes 1, et des statisticiens de l’Université de Sheffield. L’application de ces techniques a, comme nous l’avons vu, commençé et les logiciels adaptés sont en voie d’être mis àla disposition des utilisateurs via internet.

2.6. Déformation crustale - Mise en place des magmas - Minéralisation

Notre publication d’une synthèses des rotations tectoniques obtenues dans les Andes Cenrales montre que les roches du Mésozoïque et du Paléogène enregistrent des rotations horaires importantes dans l’avant-arc (Arriagada et al., 2003, 2006). De plus nous avons effectué une restauration de la déformation àl’échelle des Andes centrales (Arriagada 2003). Elle indique qu’une déformation concentrée dans l’arrière-arc depuis le Miocene moyen n’est pas suffisante pour générer des rotations significatives dans l’avant-arc. Dans les ignimbrites et dans les dykes, les linéations et l’imbrication des plans de foliation de l’anisotropie de susceptibilité magnétique (AMS) permettent de déterminer la direction de provenance des flux. Nous avons utilisé cette technique sur d’importantes ignimbrites du Miocène inférieur qui recouvrent l’avant-arc du nord du Chili et du sud du Pérou et sur des dykes Jurassiques du Chili (Creixell, C et al., soumis, 2006).
Enfin dans le but de tester la contribution des aimantations rémanentes dans l’interprétation des anomalies magnétiques des gisements miniers, nous avons effectué une étude paléomagnétique sur plusieurs gisements cuprifères du Chili. Dans la mine de Chuquicamata nous avons mis en évidence des rotations antihoraires et des déformations àl’échelle hectométrique.


PUBLICATIONS

Thèses

Stéphanie Gautier, Caractérisation de surface rugueuses par rétrodiffusion d’ondes, soutenance le 20 décembre 2002. Situation actuelle : Maître de Conférences àl’Université de Montpellier.

Frédéric Conil, Mise au point d’un dispositif expérimental d’endoscopie sismique, soutenance le 6 juin 2003. Situation actuelle : Ingénieur d’études au CNRS en détachement.

Sandie Le Conte, Caractérisation des fonds marins par méthodes sismiques et acoustiques, soutenance le 17 décembre 2004. Situation actuelle : Ingénieure de recherche en acoustique au Musée de la musique.

Hassina Boukerbout, Analyse en ondelettes et prolongement des champs de potentiel. Développement d’une théorie 3-D et application en géophysique, soutenance le 8 septembre 2004. Situation actuelle : Chargée de Recherches au Centre de Recherches d’Alger en Astronomie et Géophysique.

Agnès Grislin-Mouë zy, Caractérisation de l’endommagement de parois de galeries par tomographie électrique : application en laboratoire souterrain, soutenance le 15 novembre 2005. Financement par BDI CNRS/ANDRA. Situation actuelle inconnue.

Arriagada, César, Rotations tectoniques et déformation de l’avant arc des Andes centrales au cours du Cénozoïque, Thèse de l’Université de Rennes 1 et de l’Université du Chili (co-tutelle), soutenance le 28 avril 2003. Situation actuelle : chargé de recherche contractuel, Université du Chili

Gómez-Paccard Miriam, Etude de la variation de la direction et de l’intensité du champ géomagnétique en Espagne durant les deux derniers millénaires, Thèse de l’Université de Rennes 1 et de l’Université de Complutense de Madrid (co-tutelle), soutenance le 10 mars 2006 Situation actuelle : post-doctorant, Université de Barcelone


Publications de rang A

Le Gonidec, Y. & D. Gibert, The Wavelet Response as a Multiscale Characterization of Scattering Processes at Granular Interfaces, Ultrasonics, sous presse, 2006.

Gibert, D., J.-L. Le Mouë l, L. Lambs, F. Nicollin, & F. Perrier, Sap Flow and daily electric potential in a tree trunk, Plant Science, sous presse, 2006.

Boukerbout, H., & D. Gibert, Identification of sources of potential fields with the continuous wavelet transform : Two-dimensional ridgelet analysis, Journal of Geophysical Research, Vol. 111, B07104, doi:10.1029/2005JB004078, 2006.

Nicollin, F., D. Gibert, F. Beauducel, G. Boudon & J.-C. Komorowski, Electrical Tomography of La Soufrière of Guadeloupe Volcano : Field Experiments, 1D Inversion and Qualitative Interpretation, Earth and Planetary Science Letters, Vol. 244, 709-724, 2006.

Gibert, D., F. Nicollin, B. Kergosien, P. Bossart, Ch. Nussbaum, A. Grislin, F. Conil & N. Hoteit, Electrical Tomography Monitoring of the Excavation Damaged Zone of the Gallery 04 in the Mont Terri Rock Laboratory : Field Experiments, Modelling, and Relationship With Structural Geology, Applied clay Science, Vol. 33, 21-34, 2006.

Gautier, S. & D. Gibert, Inversion of roughness parameters of self-affine surfaces from backscattered waves, Geophysical Journal International, Vol. 160, 797-803, 2005.

Gautier, S. & D. Gibert, Scattering from a self-affine fractal surface : experimental assessment of near-nadir models, Icarus, Vol. 167, 453-463, 2004.

Conil, F., D. Gibert & F. Nicollin, Non-linear synthesis of input signals in ultrasonic experimental setups, Journal of the Acoustical Society of America, Vol. 115(1), 246-252, 2004.

Le Gonidec, Y., F. Conil & D. Gibert, The wavelet response as a multiscale NDT method, Ultrasonics, Vol. 41, 487-497, 2003.

Sailhac, P. & D. Gibert, Identification of sources of potential fields with the continuous wavelet transform : 2D wavelets and multipolar approximations, Journal of Geophysical Research, Vol. 108 B5, 2262, doi : 10.1029/2002JB002021, 2003.

Boukerbout, H., D. Gibert & P. Sailhac, Identification of sources of potential fields with the continuous wavelet transform : application to VLF data, Geophysical Research Letters, Vol. 30-8, doi : 10.1029/2003GL016884, 2003. Pessel, M. & D. Gibert, Multiscale electrical impedance tomography, Journal of Geophysical Research, Vol. 108, doi : 10.1029/2001JB000233, 2003.

Le Gonidec, Y., D. Gibert & J.-N. Proust, Multiscale analysis of waves reflected by complex interfaces : Basic principles and experiments, Journal of Geophysical Research, Vol. 107, doi : 10.1029/2001JB000558, 2002.

Nicollin, F., F. Conil & D. Gibert, Seismic endoscopy : Multi-offset multi-azimuth imaging around boreholes, data processing and experimental results, Geophysical Prospecting, Vol. 50, 475-485, 2002.

Bellanger, E., D. Gibert & J.-L. Le Mouë l, A geomagnetic triggering of Chandler wobble phase jumps ?, Geophysical Research Letters, Vol. 29, doi : 10.1029/2001GL014253, 2002.

Arriagada C., P. Roperch, Mpodozis C., Dupont-Nivet G., P.R. Cobbold, A. Chauvin and J. Coetes, Paleogene Clockwise Tectonic Rotations in the fore-arc of Central Andes, Antofagasta Region, Northern Chile, J. Geophys. Res., VOL. 108, NO. B1, 2032, doi:10.1029/2001JB001598, 2003

Chauvin A., P. Roperch and S. Levi, Reliability of Geomagnetic Paleointensity data : effect of the NRM fraction used upon the paleointensity determination by the Thellier method and concave-up behavior, Phys. Earth Planet Int, 150, 265-286, 2005

Collombet M., Thomas J.C., Chauvin A., Tricart P and Bouillin J.P., Counterclockwise rotation of the Western Alps since the Oligocene : new insights from paleomagnetic data, accepté, TECTONICS, VOL. 21, NO. 4, 10.1029/2001TC901016, 2002

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Lanos Ph., Le Goff M., Kovacheva M. and Schnepp E., Hierarchical modelling of archaeomagnetic data and curve estimation by moving average technique, Geophysical Journal International, 160, 2, 440-476, 2005

Mpodozis, C., C. Arriagada, M. Basso, P. Roperch, P. Cobbold, and M. Reich, Late Mesozoic to Paleogene stratigraphy of the Salar de Atacama Basin, Antofagasta, Northern Chile : Implications for the tectonic evolution of the Central Andes, Tectonophysics, 399, 125-154, 2005

Paquereau, P., J.-C. Thouret, G. Worner, M. Fornari, O. Macedo, and P. Roperch, Caractérisation des ignimbrites Neogenes du bassin d’Arequipa, Perou, Comptes Rendus Geosciences, 337, 477-486, 2005.

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Schnepp E., R. Pucher, C. Goedicke, Manzano, A., U. Müller, Ph. Lanos, Paleomagnetic directions and Thermoluminescence dating from a bread oven-floor sequence in Lübeck (Germany) : a record of 450 years of geomagnetic secular variation, Journal of Geophysical Research, vol. 108, B2, 53-66, 2003

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Singer B.S., Hoffman K.A., Coe R.S., Brown L., JichaB.R., Pringle M.S., Chauvin A., Structural and temporal requirements for geomagnetic field reversal deduced from 40Ar/39Ar dated lava flows, Nature, 434, 633-636, 2005. Yans J., A. Chauvin, Clauer N, J. Dejax, Th de Putter, Ch Dupuis, G. Feraud, F. guillocheau, E. masure, I. Leost, A. Perruchot, D. Pons, P. spagna, R. Wyns, An overview of the saprolites of Belgiul and their potential kaolonitic supplies to Mesozoic and Cainozoic sediments, Géologie de la France, 1, 33-37, 2003

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Roperch, P., T. Sempéré, O. Macedo Sanchez, C. Arriagada, M. Fornari, C. Tapia, M. Garcia, and C. Laj, Counterclockwise rotation of Late Eocene - Oligocene forearc deposits in southern Peru and its significance for oroclinal bending in the Central Andes Tectonics, sous presse

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De Marco E., V. Spatharas , M. Gomez-Paccard , A. Chauvin and D. Kondopoulou New archaeointensity results from archaeological sites and variation of the geomagnetic field intensity for the last 7 millennia in Greece, soumis àPhys. and Chem. of the Earth, 2006

Hill M., Ph. Lanos, A. Chauvin, D. Vitali and F. Laubenheimer, An Archaeomagnetic Investigation of a Roman Amphorae Workshop in Albinia (Italy), soumis àGeophys. J. Int., 2006

Kovacheva M., , A. Chauvin , Ph. Lanos, N. Jordanova and Vassil Karloukovski, arcaeointensity study of different archaelogical structures. Anisotropy effect on the paleointensity results, soumis àPhys. and Chem. of the Earth, 2006