Crustal structure of Guadeloupe Islands and the Lesser Antilles Arc from a new gravity and magnetic synthesis

Guadeloupe Island (West French Indies) is one of the twenty islands that compose the Lesser Antilles Arc, which results from the subduction of the Atlantic Ocean plate beneath the Caribbean one. The island lies in a complex volcano-tectonic system and the need to understand its geological context has led to numerous on- and offshore geophysical investigations. This work presents the compilation and processing of available, on-land, airborne and marine, gravity and magnetic data acquired during the last 40 years on Guadeloupe Islands and at the scale of the Lesser Antilles Arc. The overall dataset provides new Bouguer and reduced to the pole magnetic anomaly maps at the highest achievable resolution. Regionally, the main central negative gravity trend of the arc allows defining two subsident areas. The first one is parallel to the arc direction (~N160°E) to the north, whereas the second unexpected southern one is oriented parallel to oceanic ridges (N130°E). Along the Outer Arc, the long wavelength positive anomaly is interpreted, at least along the Karukera Spur, as an up-rise of the volcanic basement in agreement with the seismic studies. To the NE of Guadeloupe, the detailed analysis of the geophysical anomalies outlines a series of structural discontinuities consistent with the main bathymetric morphologies, and in continuity of the main fault systems already reported in this area. Based on geophysical evidences, this large scale deformation and faulting of the Outer Arc presumably primarily affects the Atlantic subducting plate and secondarily deforms the upper Caribbean plate and the accretion prism. At the scale of Guadeloupe Island, joined gravity and magnetic modeling has been initiated based on existing interpretation of old seismic refraction profiles, with a general structure in three main layers. According to our geophysical anomalies, additional local structures are also modeled in agreement with geological observations: i) the gravity and magnetic signals confirm an up-rise of the volcanic basement below the limestone platforms outcropping on Grande-Terre Island ; ii) the ancient volcanic complexes of Basse-Terre Island are modeled with high density and reverse magnetized formations; iii) the recent volcanic centre is associated with formations consistent with the low measured density and the underlying hydrothermal system. The EW models coherently image a NNW-SSE depression structure in half-graben beneath Basse-Terre Island, its western scarp following the arc direction in agreement with bathymetric and seismic studies to the north of the island. The so-defined depressed area, and particularly its opening in half-graben toward the SW, is interpreted as the present-day front of deformation of the upper plate associated with the recent volcanic activity on and around Guadeloupe. Based on this regional deformation model, perspectives are given for further integrated investigation of key targets to address the internal structure and evolution of the Lesser Antilles Arc and Guadeloupe volcanic system

Structure interne d'un système volcanique océanique de type point chaud : La Réunion (Océan Indien) - Approches géophysiques

La Réunion is a huge volcanic oceanic complex of which most of the volume is submerged. Its internal structure is investigated using geophysical approaches; gravity, magnetic and electromagnetic, offering a large scale model of the overall system. The gravity coverage of Piton de la Fournaise volcano distinguishes between shallow and deep sources. Gravity variations associated with the collapse of the Dolomieu crater in 2007 are studied in terms of mass transfers within the edifice. The Piton des Neiges volcano appears as a huge volcano organized around a hypovolcanic complex with a great extent both laterally and vertically. The correlation between its morphology and the topography suggests a relationship between the subsidence of the complex and that of the overlying depressions. The coverage of recent formations, incomplete, presents varying thicknesses and helps to reconstruct the morphology of the island at the Brunhes- Matuyama transition. At the scale of the submarine system, the morphology of two large areas of old volcanic structures is proposed (to the east and south-west of the island) challenging the seismic interpretations. The general morphology of the constructed edifice is built. The coastal shelf is interpreted in terms of accumulation of hyaloclastites and pillow lavas. The four submarine bulges are mainly composed of an accumulation of debris avalanches deposits, whose internal density contrasts can be correlated with some geological units observed at the surface. A comparative study between La Réunion and other oceanic volcanic islands highlights both, morphological, structural and geophysical, similarities and dissimilarities between different oceanic volcanic systems.L'Ile de La Réunion est un système océanique volcanique dont l'essentiel du volume est immergé. Sa structure interne est investiguée par approches géophysiques, gravimétrique, magnétique et électromagnétique, offrant un modèle du système à grande échelle. La couverture gravimétrique du Piton de la Fournaise permet de distinguer les sources superficielles et profondes. Des variations gravimétriques associées à l'effondrement du Dolomieu en 2007 sont étudiées en termes de déplacements de masse au sein de l'édifice. Le Piton des Neiges apparaît comme un immense volcan organisé autour d'un système hypovolcanique de grande extension. La corrélation entre sa morphologie et la topographie suggère une relation entre la subsidence du complexe et celle des dépressions sus-jacentes. La couverture de formations récentes, incomplète, présente des épaisseurs variables et permet de reconstruire la morphologie de l'île à la transition Brunhes-Matuyama. A l'échelle du système immergé, la morphologie de deux larges zones de constructions volcaniques anciennes est proposée, à l'E et au SO de l'île, remettant en question les interprétations sismiques. La morphologie générale de l'édifice construit est reconstituée. Le plateau côtier est interprété en termes d'accumulation de hyaloclastites et de pillow lavas. Les quatre excroissances sous-marines sont principalement composées d'accumulation de dépôts d'avalanches de débris, dont les contrastes internes de densité peuvent être corrélés avec certaines unités géologiques observées en surface. Une étude comparative entre l'édifice de La Réunion et d'autres îles océaniques met en lumière les analogies et dissemblances morphologiques, structurales et géophysiques entre différents systèmes volcaniques océaniques

Traitement, réduction et analyses in-situ des levés magnétiques aéroportés en contexte volcanique

International audienceLes drones offrent une formidable opportunité pour réaliser des levés géophysiques répétés, notamment en contextes volcaniques. Leur capacité à être déployés rapidement, à voler à différentes altitudes et leur facilité d'utilisation malgré des conditions de terrain complexes les rendent attractifs pour les levés magnétiques. La construction de cartes détaillées du champ magnétique apporte des contraintes majeures sur la composition des roches, les anomalies thermiques, les systèmes intrusifs et l'évolution des contrastes crustaux. Néanmoins, les mesures brutes du champ magnétique nécessitent un traitement minutieux pour réduire les effets des composantes primaires, telles que celles du champ magnétique principale, et pour minimiser les erreurs de direction, de position et de croisement. Une fois que les structures locales sont mises en évidence une seconde difficulté est d'assembler des levés réalisés à des époques différentes, de préserver la continuité des levés adjacents, et de prendre en compte leurs variations en altitude.Nous présentons un algorithme directement applicable sur le terrain qui offre la possibilité d'une modélisation et des corrections rapides des mesures d'intensité du champ magnétique acquises par drones. Notre approche repose sur l'analyse harmonique rectangulaire (RHA) en champs de potentiels. Cette approche permet d'assembler différents levés contigus et de reconstruire à partir d'une intensité le vecteur champ magnétique nivelés à une altitude constante. Des modules complémentaires permettent d'identifier les contours des sources génératrices de champ magnétiques crustaux et ont vocation à servir d'outils d'identification structurale au premier ordre. Nous présentons une application sur des levés réalisés au Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion, France).Thebault E, Gailler L-S. A Quick-Look Software for In Situ Magnetic Field Modeling from Onboard Unmanned Aircraft Vehicles (UAVs) Measurements. Remote Sensing. 2023; 15(18):4549. https://doi.org/10.3390/rs1518454

Monitoring the cooling of the 1959 Kīlauea Iki lava lake using surface magnetic measurements

Co-auteur étrangerInternational audienceLava lakes can be considered as proxies for smallmagma chambers, offering a unique opportunity to investigatemagma evolution and solidification. Repeated magneticground surveys over more than 50 years each show a largevertical magnetic intensity anomaly associated with KīlaueaIki Crater, partly filled with a lava lake during the 1959 erup-tion of Kīlauea Volcano (Island of Hawai’i). The magneticfield values recorded across the Kīlauea Iki crater floor andthe cooling lava lake below result from three simple effects:the static remnant magnetization of the rocks forming thesteep crater walls, the solidifying lava lake crust, and thehot, but shrinking, paramagnetic non-magnetic lens(>540 °C). We calculate 2D magnetic models to reconstructthe temporal evolution of the geometry of this non-magneticbody, its depth below the surface, and its thickness. Our resultsare in good agreement with the theoretical increase in thick-ness of the solidifying crust with time. Using the 2D magneticmodels and the theoretical curve for crustal growth over a lavalake, we estimate that the former lava lake will be totallycooled below the Curie temperature in about 20 years. Thisstudy shows the potential of magnetic methods for detectingand monitoring magmatic intrusions at various scales

Traitement, réduction et analyses in-situ des levés magnétiques aéroportés en contexte volcanique

International audienceLes drones offrent une formidable opportunité pour réaliser des levés géophysiques répétés, notamment en contextes volcaniques. Leur capacité à être déployés rapidement, à voler à différentes altitudes et leur facilité d'utilisation malgré des conditions de terrain complexes les rendent attractifs pour les levés magnétiques. La construction de cartes détaillées du champ magnétique apporte des contraintes majeures sur la composition des roches, les anomalies thermiques, les systèmes intrusifs et l'évolution des contrastes crustaux. Néanmoins, les mesures brutes du champ magnétique nécessitent un traitement minutieux pour réduire les effets des composantes primaires, telles que celles du champ magnétique principale, et pour minimiser les erreurs de direction, de position et de croisement. Une fois que les structures locales sont mises en évidence une seconde difficulté est d'assembler des levés réalisés à des époques différentes, de préserver la continuité des levés adjacents, et de prendre en compte leurs variations en altitude.Nous présentons un algorithme directement applicable sur le terrain qui offre la possibilité d'une modélisation et des corrections rapides des mesures d'intensité du champ magnétique acquises par drones. Notre approche repose sur l'analyse harmonique rectangulaire (RHA) en champs de potentiels. Cette approche permet d'assembler différents levés contigus et de reconstruire à partir d'une intensité le vecteur champ magnétique nivelés à une altitude constante. Des modules complémentaires permettent d'identifier les contours des sources génératrices de champ magnétiques crustaux et ont vocation à servir d'outils d'identification structurale au premier ordre. Nous présentons une application sur des levés réalisés au Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion, France).Thebault E, Gailler L-S. A Quick-Look Software for In Situ Magnetic Field Modeling from Onboard Unmanned Aircraft Vehicles (UAVs) Measurements. Remote Sensing. 2023; 15(18):4549. https://doi.org/10.3390/rs1518454

Magnetic Monitoring of Volcanoes

International audienc

A Quick-Look Software for In Situ Magnetic Field Modeling from Onboard Unmanned Aircraft Vehicles (UAVs) Measurements

UAVs represent a tremendous opportunity to perform geophysical and repeated experiments, particularly in volcanic contexts. Their ability to be deployed rapidly and fly at various altitudes and the fact that they are easy to operate despite complex field conditions make them attractive for magnetic surveys. Detailed maps of the magnetic field in turn bring key constraints on the rocks’ composition, thermal anomalies, intrusive systems, and crustal contrast evolution. Yet, raw magnetic field measurements require careful processing to minimize directional, positional, and crossover errors. Moreover, stitching together adjacent or overlapping surveys acquired at different times and altitudes is not a trivial task. Therefore, it is challenging in remote areas to directly evaluate the consistency of a survey and to ascertain the success of the field mission. In this paper, we present a fast algorithm allowing for a quick-look modeling of scalar magnetic intensity measurements. The approach relies on rectangular harmonic analysis (RHA). The field measurements are automatically corrected for a global main field. Then, they are projected along this main field and modeled in terms of RHA functions. The software can exploit the quality indices provided with data and a procedure is applied to mitigate the effect of outliers. Maps for the scalar and the vector anomaly fields are readily built on an interpolated regular grid leveled at a constant altitude. In order to assess the modeling and the inversion procedures, analyses are carried out with synthetic measurements derived from a high-resolution global lithospheric magnetic field model estimated on the French aeromagnetic grid and at UAV locations with some added nonrandom noise. These analyses indicate that RHA is efficient for first-order and direct mapping of the crustal magnetic field structures measured by UAVs but that it could be applied on airborne and marine magnetic intensity data covering dense and large geographical extensions

Traitement, réduction et analyses in-situ des levés magnétiques aéroportés en contexte volcanique

International audienceLes drones offrent une formidable opportunité pour réaliser des levés géophysiques répétés, notamment en contextes volcaniques. Leur capacité à être déployés rapidement, à voler à différentes altitudes et leur facilité d'utilisation malgré des conditions de terrain complexes les rendent attractifs pour les levés magnétiques. La construction de cartes détaillées du champ magnétique apporte des contraintes majeures sur la composition des roches, les anomalies thermiques, les systèmes intrusifs et l'évolution des contrastes crustaux. Néanmoins, les mesures brutes du champ magnétique nécessitent un traitement minutieux pour réduire les effets des composantes primaires, telles que celles du champ magnétique principale, et pour minimiser les erreurs de direction, de position et de croisement. Une fois que les structures locales sont mises en évidence une seconde difficulté est d'assembler des levés réalisés à des époques différentes, de préserver la continuité des levés adjacents, et de prendre en compte leurs variations en altitude.Nous présentons un algorithme directement applicable sur le terrain qui offre la possibilité d'une modélisation et des corrections rapides des mesures d'intensité du champ magnétique acquises par drones. Notre approche repose sur l'analyse harmonique rectangulaire (RHA) en champs de potentiels. Cette approche permet d'assembler différents levés contigus et de reconstruire à partir d'une intensité le vecteur champ magnétique nivelés à une altitude constante. Des modules complémentaires permettent d'identifier les contours des sources génératrices de champ magnétiques crustaux et ont vocation à servir d'outils d'identification structurale au premier ordre. Nous présentons une application sur des levés réalisés au Piton de la Fournaise (Ile de la Réunion, France).Thebault E, Gailler L-S. A Quick-Look Software for In Situ Magnetic Field Modeling from Onboard Unmanned Aircraft Vehicles (UAVs) Measurements. Remote Sensing. 2023; 15(18):4549. https://doi.org/10.3390/rs1518454

Magnetic Monitoring of Volcanoes

International audienc

Tree-dimensional structure of the submarine flanks of La Réunion inferred from geophysical data

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