Volcans et activité sismique

Les diverses formes d’activité sismo-volcanique

L’observation des vibrations sismiques générées par les volcans est l’une des principales sources d’information sur l’activité et les propriétés physiques des systèmes magmatiques, sur les phénomènes qui s’y produisent ainsi que sur leur structure. C’est donc un outil essentiel pour la surveillance volcanique et la prévision des éruptions. L’activité sismique des volcans se manifeste sous plusieurs formes qui correspondent à divers processus.

Des séismes volcano-tectoniques souvent premier signe du réveil d’un volcan

Un édifice volcanique est recoupé par de nombreuses failles de toutes dimensions. Lorsqu’une injection de magma se produit à l’intérieur du volcan, sa structure est soumise à des variations de contraintes qui déclenchent des ruptures sur les failles de la même manière que sur des failles tectoniques. On appelle ces événements "séismes volcano-tectoniques" (VT) pour souligner que le processus physique mis en jeu est analogue à celui des séismes tectoniques. Ce type de séismes est également appelé "type-A" ou "haute-fréquence". On distingue généralement dans leurs sismogrammes les arrivées des ondes P et des ondes S et ils sont caractérisés par des fréquences dominantes dans leurs spectres de l’ordre de 5 à 15 Hz. Ils peuvent être localisés et étudiés par les méthodes classiques de la sismologie. Ce type d’activité sismique est souvent le premier signe du réveil d’un volcan. Cependant elle peut durer quelques jours, quelques mois ou quelques années avant le début d’une éruption.

Des séismes et trémors volcaniques résultant d’un mouvement de fluide

Un volcan contient des fluides sous pression (magma, gaz, eau, vapeur) dans des conduits ou des chambres magmatiques, des fissures, des nappes phréatiques. Différents phénomènes peuvent se produire : phénomènes de fracturation hydraulique, mouvements de fluides mono ou diphasiques à travers des conduits aux formes irrégulières, formation ou disparition de bulles, vaporisation d’eau en contact avec du magma. Ces phénomènes sont bruyants, c’est-à-dire qu’ils s’accompagnent généralement de l’émission d’ondes sismiques qui sont donc en quelque sorte les bruits de la tuyauterie volcanique.

En se propageant dans les cavités remplies de fluides et en interagissant avec leurs parois solides, ces ondes peuvent provoquer des phénomènes de résonance à la manière des tuyaux d’orgue. Ces vibrations peuvent être brèves, on les appelle alors "séismes volcaniques » ou séismes "longue-période (LP)" ou encore "séismes de type B". Mais elles peuvent aussi durer des minutes, des heures ou être permanentes ; on les appelle alors "trémors volcaniques". Ces deux types de signaux sont donc probablement produits par les mêmes sources et partagent les caractéristiques suivantes :
– Leur début est généralement émergent, c’est-à-dire que leur amplitude augmente progressivement, contrairement aux séismes VT dont le début est impulsif.
– On ne distingue par d’ondes S dans les enregistrements et les fréquences dominantes de leurs spectres sont dans la gamme 1 à 5 Hz, d’où leur dénomination "séisme LP".
– Les spectres présentent souvent un ou plusieurs pics dominants qui sont généralement la marque des phénomènes de résonance dans les cavités remplies de fluide.

Les explosions volcaniques génèrent aussi des ondes sismiques et acoustiques. Elles peuvent être assimilées aux séismes LP car elles résultent d’un mouvement de fluide - du gaz atteignant la surface - et les caractéristiques des signaux sont semblables.

Ce type d’activité sismique précède souvent les éruptions volcaniques et est donc un des précurseurs les plus intéressants, puisque les mécanismes impliqués sont directement liés à l’état des systèmes magmatiques ou phréatiques. Ses caractéristiques font que les méthodes classiques de localisation et d’étude sont souvent inopérantes. On fait alors appel à des méthodes spécifiques, telles que l’utilisation de réseaux sismiques à faible ouverture, jouant le rôle d’antenne sismique, et un traitement du signal adapté.

Écoutez des volcans !

Les signaux sismiques émis par les volcans sont généralement inaudibles car l’oreille humaine est sensible à la gamme de fréquence 20 - 20 000 Hz. On peut toutefois les transformer en sons en multipliant leur fréquence par un facteur adéquate. Vous trouverez ci-dessous quelques exemples de signaux volcaniques dont la fréquence a été multipliée par 40 en passant l’enregistrement 40 plus vite que l’original. Vous pourrez comparer les différents bruits des volcans en distinguant les signaux haute fréquence et brefs des séismes VT de ceux plus basse fréquence des séismes LP et des trémors. Certains signaux contiennent des fréquences presque pures qui peuvent varier rapidement au cours du temps. Cela donne une idée de la complexité des mécanismes impliqués. On voit aussi que les volcans n’offrent pas seulement un spectacle pour les yeux, mais génèrent des sons de qualité musicale pour qui sait les entendre...