Monitoring temporal opacity fluctuations of large structures with muon tomography : a calibration experiment using a water tower tank

Usage of secondary cosmic muons to image the geological structures density distribution significantly developed during the past ten years. Recent applications demonstrate the method interest to monitor magma ascent and volcanic gas movements inside volcanoes. Muon radiography could be used to monitor density variations in aquifers and the critical zone in the near surface. However, the time resolution achievable by muon radiography monitoring remains poorly studied. It is biased by fluctuation sources exterior to the target, and statistically affected by the limited number of particles detected during the experiment. The present study documents these two issues within a simple and well constrained experimental context: a water tower. We use the data to discuss the influence of atmospheric variability that perturbs the signal, and propose correction formulas to extract the muon flux variations related to the water level changes. Statistical developments establish the feasibility domain of muon radiography monitoring as a function of target thickness (i.e. opacity). Objects with a thickness comprised between $\simeq$ 50 $\pm$ 30m water equivalent correspond to the best time resolution. Thinner objects have a degraded time resolution that strongly depends on the zenith angle, whereas thicker objects (like volcanoes) time resolution does not.Comment: 11 pages, 9 figures. Final version published in Scientific Reports, Nature, 14 march 201

Muon dynamic radiography of density changes induced by hydrothermal activity at the La Soufrière of Guadeloupe volcano

paper submitted to Scientific Reports in june 2016. 15 pages. 8 figuresInternational audienceImaging geological structures through cosmic muon radiography is a newly developed technique particularly interesting in volcanology. Here we show that muon radiography may be efficient to detect and characterize mass movements in shallow hydrothermal systems of low-energy active volcanoes like the La Soufri\`ere lava dome. We present an experiment conducted on this volcano during the Summer $2014$ and bring evidence that huge density changes occurred in three domains of the lava dome. Depending on their position and on the medium porosity the volumes of these domains vary from $1 \times 10^6 \; \mathrm{m}^3$ to $7 \times 10^6 \; \mathrm{m}^3$. However, the mass changes remain quite constant, two of them being negative ($\Delta m \approx -0.6 \times 10^9 \; \mathrm{kg}$) and a third one being positive ($\Delta m \approx +2 \times 10^9 \; \mathrm{kg}$). We attribute the negative mass changes to the formation of steam in shallow hydrothermal reservoir previously partly filled with liquid water. This coincides with the apparition of new fumaroles on top of the volcano. The positive mass change is synchronized with the negative mass changes indicating that liquid water probably flowed from the two reservoirs invaded by steam toward the third reservoir

Implementation of sub-nanosecond time-to-digital convertor in field-programmable gate array: applications to time-of-flight analysis in muon radiography

International audienceTime-of-flight (tof) techniques are standard techniques in high energy physics to determine particles propagation directions. Since particles velocities are generally close to c, the speed of light, and detectors typical dimensions at the meter level, the state-of-the-art tof techniques should reach sub-nanosecond timing resolution. Among the various techniques already available, the recently developed ring oscillator TDC ones, implemented in low cost FPGA, feature a very interesting figure of merit since a very good timing performance may be achieved with limited processing ressources. This issue is relevant for applications where unmanned sensors should have the lowest possible power consumption. Actually this article describes in details the application of this kind of tof technique to muon tomography of geological bodies. Muon tomography aims at measuring density variations and absolute densities through the detection of atmospheric muons flux's attenuation, due to the presence of matter. When the measured fluxes become very low, an identified source of noise comes from backwards propagating particles hitting the detector in a direction pointing to the geological body. The separation between through-going and backward-going particles, on the basis of the tof information is therefore a key parameter for the tomography analysis and subsequent previsions

Estimation des propriétés rhéologiques des magmas par l'étude des instabilités gravitaires : Pétrologie du complexe plutonique lite de Guernesey

Mémoires et Documents du Centre Armoricain d'Etudes Structurale des Socles n°35, 370 p., ISBN : 2-905532-34-3L'objectif principal de ce travail est de déterminer dans quelle mesure l'étude de phénomènes physiques, secondaires par rapport à la différenciation magmatique, permet d'apporter des contraintes pour la reconstitution de l'évolution des chambres magmatiques. Dans un premier temps, une étude pétrologique de l'objet choisi -le Complexe plutonique Nord de Guernesey- a été réalisée. On en retire à la fois des résultats intéressant la géologie régionale et les paramètres de base pour l'étude des phénomènes physiques secondaires. Les résultats d'ordre régional consistent en la mise en évidence ou la confirmation de plusieurs points. On a ainsi montré que le Complexe plutonique Nord de Guernesey est un massif calco-alcalin d'âge cadomien (550-560 Ma) constitué de quatre intrusions. Les deux ensembles les plus basiques: le Gabbro de Saint-Peter-Port et le Groupe Dioritique de Bordeaux sont des formations litées qui constituent les témoins d'une ancienne chambre magmatique. Les relations entre gabbros et diorites ne peuvent être établies avec certitude, mais plusieurs critères pétrographiques et géochimiques incitent à penser qu'ils se - rattachent à une même évolution magmatique. Les deux intrusions les plus acides: la Granodiorite de L'Ancresse et le Granite de Cobo apparaissent résulter du mélange d'un constituant basique apparenté aux liquides gabbro-dioritiques et d'un constituant dérivant de la fusion crustale induite par la mise en place de la chambre magmatique basique. Le Groupe Dioritique de Bordeaux, et plus précisément le type Beaucette que l'on observe sur la côte Est de l'île, présente de nombreuses figures particulières traduisant l'intervention de phénomènes magmatiques divers venant se superposer à l'évolution magmatique principale par cristallisation fractionnée. On a ainsi des indications de l'importance des phénomènes tels que les mélanges dans les chambres magmatiques calco-alcalines. Certaines structures qui évoquent des figures de charge sédimentaires sont particuiièrement bien déveioppées à ia pointe Nord-Est de l'île. Ce sont elles qui ont été choisies pour étudier l'importance des phénomènes physiques de second ordre dans les chambres magmatiques. En effet, les mécanismes d'instabilité gravitaire ont une signification suffisamment simple pour permettre ce type d'approche.No abstrac

Estimation des proprietes rheologiques des magmas par l'etude des instabilites gravitaires : petrologie du complexe plutonique lite de Guernesey

SIGLECNRS T Bordereau / INIST-CNRS - Institut de l'Information Scientifique et TechniqueFRFranc

Interactions mécaniques entre la tectonique compressive et le magmatisme (expériences analogiques et exemple naturel)

Le magmatisme a lieu principalement aux limites des plaques lithosphériques, où la déformation tectonique peut être importante. Afin d étudier les interactions mécaniques entre la tectonique compressive et le magmatisme, nous avons développé une nouvelle technique expérimentale, dans laquelle un fluide (simulant les magmas) est injecté dans de la poudre de silice (simulant la croûte) en raccourcissement. Nos expériences montrent que la présence de magmas contrôle la position des failles et la formation d un plateau non déformé. Inversement, la déformation favorise la mise en place horizontale des magmas, et contrôle leur mise en place relativement passive dans un espace accommodé par la surrection tectonique du plateau. Afin de valider nos résultats, les expériences sont comparées à un exemple naturel, le volcan Tromen en Argentine. Sur ce volcan, l activité volcanique est synchrone d une déformation compressive, et les structures sont similaires à celles obtenues dans nos modèles.RENNES1-BU Sciences Philo (352382102) / SudocSudocFranceF

Low-Temperature Hydrothermal Systems Response to Rainfall Forcing: An Example From Temperature Time Series of Fumaroles at La Soufrière de Guadeloupe Volcano

International audienceVolcanoes with highly-developed and shallow hydrothermal systems may be subject to sudden increases of their surface steam emission at vents in response to either deep forcing (e.g. increase of heat flux coming from the magma chamber) or external forcing (e.g. sudden decrease of atmospheric pressure or variation of meteoric water input). Because the vent plumbing has a limited heat and mass transfer capacity, the rise of steam pressure accompanying the increase of flux may destabilize the system in order to augment its net transfer capacity. This reorganization may, for instance, take the form of an enlargement of existing conduits and vents or to the creation of new ones. In such a case, local and extremely dangerous blast phenomena are likely to occur with devastating consequences several hundreds of meters around. Even volcanoes with a moderate activity and considered safe by the local population are exposed to such abrupt and dangerous events. The detection of early warning signals through temperature monitoring in the vents is of a primary importance and a main difficulty is to correctly interpret temperature jumps in order to reduce false alarms. We analyze time series of the temperature measured in three fumaroles located at the top of La Soufrière volcano in Guadeloupe, which are characterized by their relatively low temperature around 99°C, slightly above the boiling temperature of water at this altitude. Thanks to the long duration of the records from January to August 2017 and to their short 1-s sampling interval, a multiscale analysis can be performed over several orders of magnitude. We show that, despite their complex and sometimes erratic appearance, the temperature variations observed in the vents contain components highly correlated with rain input variations. Some remarkable patterns recurrently appear at different periods and we show that the main temperature variations of more than 10°C are related to the rainfall intensity. Our results illustrate the importance of external forcing on the otherwise complex and possibly chaotic dynamics of the shallow hydrothermal system of La Soufrière. They also reveal that a careful analysis of rainfall forcing must be done to be able to draw any conclusion concerning changes caused by the underlying hydrothermal system

TEMAVAC : développement de télescopes à muons autonomes et opérationnels sur les volcans actifs

National audienc

Transport en fracture et interaction avec la matrice (une expérience analogique)

Nous caractérisons en laboratoire le transport de solutés dans une fracture unique et l interaction fracture-matrice durant ce transport. Notre dispositif expérimental en Plexiglas est constitué d une fracture synthétique (100 cm de long, 5 cm de large, 0,5 cm de haut) présentant une interface inférieure imperméable (Plexiglas) ou perméable (couche de billes de verre) selon les configurations choisies. Un flux d eau est imposé à travers la fracture à des vitesses moyennes contrôlées (~1 mm/s). Un système d injection de colorant simule au centre de la fracture une source ponctuelle de contaminant, dont la migration est décrite par l évolution spatio-temporelle de la concentration grâce à un système de mesures optiques. Le dispositif se révèle bien adapté à l étude du couplage densitaire entre écoulement et transport dans une fracture imperméable en régime pré-asymptotique. La mesure à intervalles réguliers du flux massique advectif bidimensionnel associé au panache de soluté permet d établir des profils de la masse m(x)qui traverse une section de fracture transverse à l écoulement à la position longitudinale x. Une quantité de soluté piégée à la surface du milieu poreux, même sans réelle diffusion dans le milieu, est vue par le dispositif de mesure comme de la masse perdue, et donc échangée. Des pertes de masses significatives par rapport à notre incertitude expérimentales sont mesurées pour une fracture dont la paroi inférieure poreuse présente une rugosité ondulée. Cette configuration géométrique crée des zones de faibles vitesses permettant le piégeage superficiel d une partie du soluté (jusqu à 30 %). Les effets gravitaires jouent un rôle prépondérant dans ce processus.We characterize in the laboratory the solute transport in a single fracture, as well as the fracture-matrix interaction during transport. Our experimental setup consists in a 100x5x0,5 cm3 synthetic plexiglass fracture, the lower wall of which is either an impervious plane, or the top boundary of a glass bead piling. A controlled volumetric rate corresponding to fluid velocities in the mm/s range is imposed through the fracture. A localized source of contaminant is simulated in the setup using a custom-made injection setup, and an optical measurement system is used to monitor in time the two-dimensional concentration field inside the fracture. This setup proves to be well-suited to the study of the coupling between flow and transport through density effects in the pre-asymptotic regime. Measuring at regular time intervals the advective mass flux field inside the fracture allows us to determine the mass m(x) that passes through a section of the fracture transverse to the flow, at position x along the fracture. An amount of solute that is trapped at the piling s surface, even without penetration of the solute inside the porous medium, is seen by the measurement system as lost-, and therefore, exchanged-, solute mass. Mass losses significant compared to our experimental uncertainty are measured in a geometrical configuration for which the porous wall exhibits a quasi-sinusoidal roughness: in such a configuration, low velocity zones make superficial solute trapping (up to 30% of it) possible. Gravity plays a major role in this process.RENNES1-BU Sciences Philo (352382102) / SudocRENNES-Géosciences (352382209) / SudocSudocFranceF