MOTIF: Monitoring of deep magmatic intrusions using shallow borehole tiltmeters at Piton de la Fournaise

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1 Institut de physique du globe de Paris Sorbonne Paris Cité Université Paris Diderot UMR CNRS 7154 MOTIF: Monitoring of deep magmatic intrusions using shallow borehole tiltmeters at Piton de la Fournaise François Beauducel, Christophe Brunet, Philippe Kowalski, André Anglade, Arnaud Lemarchand, Andrea Di Muro, Patrice Boissier, Aline Peltier, Thomas Staudacher Rapport de mission au Piton de la Fournaise novembre 2010 DIFFUSION RESTREINTE 1

2 Table des matières 1 Introduction Risque volcanique au Piton de la Fournaise Réseau géodésique actuel Objectifs scientifiques du projet Rappels sur l inclinométrie Apport à l étude des déformations Couplage capteur/sol et perturbations Choix des sites d implantation Contraintes préliminaires Prospection radar Travaux de forage Réalisation des chantiers par l entreprise ROCS Contraintes écologiques Instrumentation Réponse instrumentale de l inclinomètre Conditionnement des capteurs Mise en place des instruments au site Enclos Couplage mécanique Orientation magnétique Isolation thermique Station d acquisition des données PC Fox Board NetusG20 ACME Synchronisation par GPS 16xHVS GARMIN Transmission WiFi : Bullet2 Ubiquiti Alimentation solaire Protocole d acquisition Notice d intervention sur le FoxG Premiers résultats Stabilisation du forage : dérive, températures et niveau Couplage du forage : bruit microsismique et marées Orientation de l inclinomètre Téléséisme de Chagos Marées terrestres Éruption du 9-10 décembre Conclusions 38 A Configurations logicielles 40 A.1 Numéros de série, codes et adresses des capteurs et stations A.2 Configuration PC FoxG A.3 Programmes d acquisition de données A.3.1 Programme de contrôle du LILY : lily [Perl] A.3.2 Programme de contrôle du CS450 : cs450 [Perl] A.4 Programmes de synchronisation GPS A.4.1 Programme de mise à l heure : gps2clock [Perl] A.4.2 Programme de synchronisation d horloge : keeptime [bash] A.5 Programmes de gestion, transmission et archivage A.5.1 Programme daemon : lilyd [bash] A.5.2 Programme de gestion du flux TCP : tcpserver [Perl] A.5.3 Programme de synchronisation des données : flushdata [Perl] A.5.4 Programme d arrêt complet des acquisitions : stoplily [Bash]

3 A.6 Archivage des données A.6.1 Format des données brutes A.6.2 Format des flux temps-réel TCP A.6.3 Archivage en mini-seed B Plans des pièces mécaniques et circuits électroniques 46 C Bilan financier 50 D Chronogramme 51 E Références 52 Résumé La détection précoce de la réalimentation du système superficiel (< 2.5 km) par des remontées de magma profonds (de 4 à 20 km au dessous du niveau de la mer) ainsi que le traçage de la propagation du magma vers des zones distales (rifts hors-enclos) représentent des enjeux prioritaires de la compréhension du fonctionnement du Piton de la Fournaise avec des implications majeures sur la prévention du risque. Or le réseau géodésique actuel (GPS, inclinomètres, antennes radar) est essentiellement concentré à l intérieur de la caldeira de l Enclos Fouqué. Il permet de suivre en temps-réel la propagation du magma sous l édifice du Piton de la Fournaise avant et pendant une crise intrusive ou éruptive. Ce projet propose la mise en place d un nouveau réseau inclinométrique hors- Enclos constitué par 3 stations haute sensibilité qui complètent le réseau actuel. Les inclinomètres sont installés dans des puits de faible profondeur (10 m) forés dans des sites aisément accessibles situés autour de la caldeira de l Enclos. La configuration proposée permettra de caractériser et de modéliser les différentes longueurs d ondes spatiales du champ de déformation associé aux stades éruptifs (signes précurseurs, propagation de dyke sommitaux et/ou distants), mais aussi de contribuer à une meilleure anticipation des éruptions hors-enclos. Au cours d une première mission effectuée en novembre 2010, les deux premiers forages ont été réalisés et l un d eux a été instrumenté et intégré au système de surveillance temps-réel de l OVPF. Ce rapport présente la méthodologie d installation, les caractéristiques techniques des stations et instruments et les premiers résultats obtenus. Abstract Early detection of the refilling of the shallow feeding system (< 2.5 km) through deep magma ascent ( 4 to 20 km below sea level) and tracing of the magma spread towards distant areas (outside the «Enclos Fouqué» caldera) are priority issues for understanding the behavior of Piton de la Fournaise with major implications for risk mitigation. The current geodetic network (GPS, tiltmeters, ground-based radar antennas) is concentrated inside the Enclos. It allows real-time monitoring of the magma propagation only beneath the volcanic edifice before and during eruptive or intrusive unrests. Recent seismic evidence (eg the 2007 seismic crisis below the town of Tampon) suggests that the replenishment of the shallow magmatic system located at the base of the Piton de la Fournaise involves the ascent of magma from a distant area, 20 km west of the «Enclos», between Piton des Neiges and Piton de la Fournaise. Moreover, the propagation (3 recent eruptions «out the Enclos» in 1977, 1986 and 1998) or possible direct ascents of magma in areas outside the caldera, potentially the most dangerous for inhabitants, are the main sources of volcanic hazard at La Réunion. Despite these major challenges, the geodetic network is very poorly developed or nonexistent outside the Enclos. This project proposes the installation of a new network consisting in 3 high-sensitivity tiltmeter stations. The tiltmeters are installed in shallow boreholes (10-m deep) drilled in readily accessible sites located around the caldera. The proposed configuration will allow us to better characterize and model the spatial wavelengths of the deformation field associated to the distinct eruptive stages of the volcano (pre-eruptive unrests, summit dyke propagations, distal dyke propagations...), but also would contribute to better forecast large distant eruptions early enough to give the inhabitants warning. During a first mission in November 2010, the first two boreholes were made and one of them was instrumented. This report presents our methodology of installation, the preliminary results and their analyses. 3

4 1 Introduction 1.1 Risque volcanique au Piton de la Fournaise Le Piton de la Fournaise (PdF) est un volcan particulièrement actif, avec en moyenne une éruption tous les 8 mois, mais parfois jusqu à 4 éruptions par an. À d autres moment des temps de repos jusqu à 5.5 ans ont été observés, comme entre 1992 et 1998 par exemple [Peltier et al., 2009]. Si 98% des éruptions historiques se déroulent à l intérieur de l Enclos Fouqué, on observe tous les 50 ans en moyenne quelques éruptions hors enclos, dont l origine est liée à la présence de la zone de rift qui traverse le PdF : 1708 (Sainte Rose), Pointe du Tremblet (1774, 1800), Pointe de la Table (1776, 1986), Piton Takamaka / Tremblet (1986), Piton Sainte Rose (1977), hauts de Bois Blanc (1998) [Bachèlery & Lénat, 1993]. Les éruptions de 1977 à Piton Sainte Rose et de 1986 au Tremblet ont détruit des habitations et sont encore aujourd hui une source d inquiétude pour la population, en particulier suite à une forte augmentation de la population dans ces régions. À l échelle de plusieurs centaines à plusieurs milliers d années, d autres éruptions hors enclos se sont déroulées dans la région NO du Piton de la Fournaise. Le petit cratère sur le bord de la deuxième caldera (vers Piton des Basaltes) et l une des coulées de lave dans le fond de la Rivière de l Est n ont que 400 ans. Le Piton Chisny dans la Plaine des Sables date d environ 1000 ans, le même âge a été attribué au Demi-Piton, et au Piton Hauy. Dans la Plaine des Cafres plusieurs éruptions avec des âges entre 5k et 20k ans ont été répertoriées. La sismicité volcano-tectonique est un des indicateurs surs de l activité d un volcan. La figure 1 montre la sismicité enregistrée par l observatoire volcanologique depuis Si l hypocentre de la plus grande majorité des séismes se trouve bien sous le Piton de la Fournaise, de nombreux séismes, en particuliers des séismes profonds sont désaxés vers le N et le NO, entre le Piton de la Fournaise et la Plaine des Cafres et la Plaine des Palmistes. Notons aussi une crise sismique survenue en 2007 sous le Tampon. Tout ceci montre une activité sismique et volcanique non négligeable en dehors du volcan actif. Si des éruptions dans cette région n ont pas été observées dans les périodes historiques à La Réunion, des datations des coulées de lave à une échelle millénaire ont été effectuées et montrent que le risque volcanique est bien présent. Par exemple, la coulée de lave des Trous Blancs, voir figure 2, sont un exemple d une coulée dont l âge est estimé entre 6 et 10 mille ans. Cette coulée a traversé la Plaine des Cafres, les villes du Tampon et de St-Pierre. 1.2 Réseau géodésique actuel Afin de surveiller le Piton de la Fournaise et dans des programmes de recherche sur le volcanisme, plusieurs réseaux géodésiques ont été installés par l OVPF/IPGP depuis les années 80. Parmi lesquels des inclinomètres sur le massif du PdF, des extensomètres, un réseau de GPS permanent et de répétition, et des théodolites. Finalement trois réflecteurs pour des ondes radar ont été posés, deux sur le massif du PdF, un à l OVPF. a) Le réseau GPS permanent actuel concerne essentiellement le massif du PdF et comporte 15 stations GPS de types Topcon GB-1000 et Trimble NetRS : 5 stations autour des cratères sommitaux Bory et Dolomieu, 5 stations à la base du cône (à environ 1.5 km du sommet), 2 stations hors-enclos (Gîte du volcan et P200) utilisées comme références, une station à Ste-Rose (Piton des Cascades), une à St-Philippe (Tremblet) et enfin la station de l IGN située à l observatoire. Dans le cadre du projet ANR Undervolc 5 stations supplémentaires ont été installées dans les Grandes Pentes. Toutes les stations sauf une sont transmises par radio à l observatoire volcanologique et les données de 9 stations permettent un suivi en temps-réel des déformations (RTK à 1 Hz). b) Le réseau inclinométrique consiste en 9 stations. 3 couples d inclinomètres de type Blum [Blum, 1963] au sommet, (BORi, SFRi, DSOi). Un couple d inclinomètres à bulles est en test à la station BORY. 3 couples de type Blum se trouvent à la base du cône (FERi, FORi, et TCRi), une station supplémentaire est installée au SE vers le Cratère Catherine. Finalement une station se trouve dans le tunnel de Rivière de l Est, situé à l extérieur de l Enclos à 8 km du sommet. Les données sont transmises par radio à l OVPF. c) Dans le cadre d un projet de recherche, deux réflecteurs d environ 2 m de diamètre ont été installés dans l enclos nord et sud vers FERg et FORg, et un 3ème réflecteur se trouve sur un bâtiment à 4

5 Figure 1 Carte de sismicité de l île de la Réunion depuis Échelles en km. Le disque jaune indique la localisation de la crise sismique de 2007 sous la ville du Tampon. Figure 2 Stations du réseau inclinométrique de l OVPF : couples d inclinomètres de Blum (triangles oranges), Blum + station sismologique STS-1 Geoscope (triangle vert) et emplacement des trois sites de forages hors Enclos du projet (cercles). 5

6 l OVPF. Ces réflecteurs sont destinés à améliorer la précision des interférogrammes radar et permettent localement des précisions de déplacements millimétriques. Ces stations sont en phase de test. Malheureusement la fréquence des mesures n est que d une image pas mois, au mieux. d) D autres réseaux (extensomètres et théodolites) ont été partiellement démontés. Les deux réseaux sont aujourd hui plus efficacement remplacés par les GPS permanents. 1.3 Objectifs scientifiques du projet L extension récente des réseaux sismologiques a montré que la sismicité de l île n était pas cantonnée uniquement à l édifice du Piton de la Fournaise, mais que des phénomènes profonds et localisés en dehors de la caldeira principale étaient bien réels. Les intrusions magmatiques profondes, la dynamique de leur migration vers la surface et leur lien avec les éruptions de l Enclos sont mal connus car peu étudiés de façon instrumentale depuis que l observatoire est en place. Les réseaux de déformations actuels sont en effet concentrés sur la zone la plus active et ne permettent pas de détecter et encore moins de quantifier les effets directs de mouvements de fluides ou de fracturation en profondeur. L objectif de ce projet est d initier une extension des réseaux d étude des déformations en dehors de l Enclos, au moyen d inclinomètres en forage de faible profondeur (10 m). Il est clair que ces stations ne constituent qu un complément des réseaux existants (et de l extension également prévue du réseau GPS) et ne sauraient être interprétées de façon autonome ; les modèles numériques montrent en effet que la caractérisation des sources (localisation, géométrie, variation de volume,...) ou de la rhéologie du milieu n est envisageable qu avec une bonne description spatiale du champ de déformation, et généralement en complément d autres types d observations [Sigmundsson et al., 1999 ; Beauducel et al., 2000 ; Froger et al., 2004 ; Peltier et al., 2007]. La mesure d inclinaisons hors enclos permettra également, au travers de modèles numériques appropriés, de déterminer si la caldeira joue un rôle mécanique ou non (discontinuité) dans les déformations de l édifice (voir par exemple aux Champs Phlégréens [Beauducel et al., 2004]). Ceci aura des conséquences fondamentales dans l interprétation future du champ de déformations à cette échelle spatiale. 1.4 Rappels sur l inclinométrie Apport à l étude des déformations Contrairement aux autres méthodes de mesures géodésiques ponctuelles dans l espace (comme le GPS ou la distancemétrie), l inclinométrie permet de détecter des déformations de très faible amplitude car elle mesure fondamentalement une dérivée spatiale du déplacement en un point. On peut ainsi atteindre des niveaux de détection de l ordre de 10 9, c est-à-dire deux ordres de grandeur en dessous de l amplitude des marées terrestres. Typiquement les variations de pression liées à un mouvement de magma en profondeur, telles qu elles on pu être détectées de façon la plus précoce sur d autres volcans, entraînent des déformations en surface de l ordre de 10 7 à 10 8 [Kamo & Ishihara, 1989 ; Linde et al., 2005]. L inclinométrie se distingue également par sa facilité de mise en œuvre en temps réel puisque c est une mesure ponctuelle dans l espace, absolue et immédiate (elle ne requiert pas de référentiel ou de traitements de données pour fournir une mesure physique). Ces deux caractéristiques font de l inclinométrie une technique particulièrement adaptée à la surveillance temps-réel. Cette haute sensibilité entraîne la nécessité absolue d un couplage parfait de l instrument avec le sol, et la recherche de sites pour lesquels les perturbations externes (effets thermomécaniques et circulation de fluides) seront les plus faibles possibles. Les niveaux de sensibilité atteints par l inclinométrie permettent de mieux contraindre les modèles de sources profondes [Kamo & Ishihara, 1989 ; Beauducel & Cornet, 1999 ; Linde et al., 2005] et superficielles [Toutain et al., 1992 ; Voight et al., 1998 ; Peltier et al., 2007], à condition de disposer d un réseau de capteurs bien répartis sur l édifice et/ou de les utiliser en complément dans un modèle intégré du champ de déformation. Une autre contrainte importante dans l interprétation des mesures d inclinaison est l intégration de la topographie dans les modèles ; même pour des sources profondes, les variations d inclinaison en surface sont très affectées par l effet de surface libre [Beauducel & Cornet, 1999]. 6

7 1.4.2 Couplage capteur/sol et perturbations Les techniques habituellement utilisées sur les volcans peuvent être regroupées en cinq types, dont nous présentons brièvement les avantages et inconvénients (modifié d après [Beauducel, 1998]). a) Installation de surface : les inclinomètres sont posés sur une coulée de lave massive et protégés localement par un boîtier isolant. Les instruments mesurent bien les déformations de l édifice, mais l ensoleillement de la surface entraîne de forts gradients de température dans la roche ; les déformations «thermiques» sont donc importantes (jusque 100 µrad/jour par exemple sur les stations au sommet du PdF) et difficiles à corriger a posteriori car fortement non linéaires et dépendantes de la fracturation locale et de l ensoleillement [Beauducel, 1992 ; 1998]. En revanche la roche étant peu poreuse, les perturbations de la pluie se limiteront aux effets de charge et au changement de température de la roche. b) Installation en puits dans des dépôts : l inclinomètre est enterré à quelques mètres de profondeur au fond d un puits creusé dans une couche de dépôts. Les variations de température sont alors extrêmement faibles (à un mètre de profondeur, les variations diurnes sont déjà pratiquement nulles), mais les gradients de température restent présents dans ce milieu peu conducteur, engendrant des déformations thermo-mécaniques malgré tout importantes. En outre, la mesure est fortement perturbée par la pluie et les mouvements de nappe phréatique dans ce milieu poreux ; ces derniers effets étant puissamment non linéaires et pratiquement impossible à corriger [Wolfe et al., 1981 ; Evans & Wyatt, 1984]. c) Installation en cavité naturelle : l utilisation de grottes, tunnels de lave ou fractures profondes permet de réduire fortement les effets thermiques et perturbations météorologiques. Ce sont en général d excellents sites, mais les effets de cavité sont alors prédominants et dépendent totalement de la forme tridimensionnelle de la cavité [Harrison, 1976 ; Pinettes, 1997]. La modélisation des déformations basée sur ces signaux sera alors plus complexe (comme pour les mesures extensométriques) car il faudrait introduire dans le modèle la géométrie précise du site, qui est généralement inconnue. d) Installation en forage ou tunnel dans la roche massive : les inclinomètres sont installés en profondeur dans une coulée de lave massive. Ce système offre un couplage parfait avec la roche et s affranchit de tous les types de bruit [Yoshikawa, 1962 ; Eto, 1965 ; 1966 ; Kamo & Ishihara, 1989], mais le coût de sa réalisation est prohibitif, à moins de profiter d un tunnel préexistant (comme à Rivière de l Est au PdF). Cette géométrie étant généralement simple et connue, les effets de cavités sont atténués, et pourrons être pris en compte plus aisément dans un modèle numérique. e) Installation type «Merapi» : les inclinomètres sont posés sur une coulée de lave massive mais celle-ci est recouverte d une fine couche de dépôts (quelques mètres) qui forme un isolant naturel sur une large surface autour des instruments. Les gradients de température sont donc faibles, et ni l ensoleillement ni les circulations d eau n ont d effets importants sur les mesures [Beauducel & Cornet, 1999]. Les effets de pluies se limitent, comme pour le type a), aux effets de charge sur la coulée de lave et dans une moindre mesure aux changements de température. Dans ce projet, nous proposons une installation en forage peu profond dans la roche massive. Nous chercherons des sites correspondant aux caractéristiques de type d) ou e), en évitant absolument les configurations de type b). La recherche de sites résulte d un compromis toujours délicat entre la qualité du site, l accessibilité (pour la foreuse notamment), et la liaison radio (peu ou pas de relais). La figure 2 indique les emplacements approximatifs retenus pour les 3 stations : Piton de Bert (au SW de l Enclos), Plaine des Sables (à l W de l Enclos) et Piton Partage (au NW). 7

8 Nous avons dû faire notre choix d instrumentation très en amont, le diamètre du forage en dépendant directement. L inclinomètre choisi est un capteur de la société américaine Applied Geomechanics baptisé LILY de diamètre 2 pouces. Cet instrument est un inclinomètre numérique bi-composante de haute précision (5 nrad de répétabilité), faible consommation et conçu pour l installation en forage (conditionné dans un tube Inox submersible) avec moteur de centrage à ±10 (voir caractéristiques tableau 3). Il a récemment été utilisé sur l Etna en forages peu profonds (5 à 15 m) [Gambino et al., 2009]. 2 Choix des sites d implantation 2.1 Contraintes préliminaires Entre juillet et octobre 2010, les positions approximatives des trois sites d installation ont été progressivement déterminées suivant plusieurs critères contraignants : 1. optimisation de la géométrie du réseau à l échelle de l édifice volcanique : compléter le réseau en l élargissant vers l Ouest ; 2. proximité immédiate d une piste d accès existante (et carrossable) pour les engins de forage : étude de faisabilité sur sites avec trois entreprises spécialisées ; 3. visibilité directe d un relais WiFi de l OVPF en vue de la transmission des données, 4. éviter les effets topographiques trop marqués, notamment la proximité immédiate du rempart (> 100 m), éviter les zones de ravinement ou stagnation des eaux pluviales ; 5. minimisation de l impact visuel (proximité du sentier GR) ; 6. minimisation de l impact environnemental temporaire et permanent (végétation peu vulnérable, minimale ou inexistante) : détermination avec un botaniste du Parc National de la Réunion (PNR) et approbation par son Conseil Scientifique. Ces recherches préliminaires ont permis de déterminer les positions approximatives des sites par des zones d environ 30 à 40 m 2 au sol répondant à l ensemble des critères. En plus de l accès libre des engins sur la piste, cet espace est le strict minimum pour effectuer les manœuvres d exécution du forage et constitue donc la zone d impact temporaire des travaux. L emplacement des sites est indiqué sur la carte figure 2 ainsi que les stations du réseau existant. 2.2 Prospection radar Sans plus de renseignement sur la nature du sol, le principal risque encouru serait que le forage rencontre une cavité naturelle ou ne traverse qu un sol meuble (type scories ou cendres) sans atteindre la roche massive nécessaire à un bon couplage mécanique. Pour éviter cela, nous avons réalisé des mesures radar (Ground Penetrating Radar) pénétrant les 10 premiers mètres du sous-sol afin de déterminer l emplacement optimal du point de forage. Nous avons utilisé le radar géologique SIR-3000 (matériel de l IPGP) avec deux types d antennes 270 MHz et 400 MHz permettant une pénétration d environ 11 m et 6 m, respectivement. Les zones d intérêt ont été parcourues suivant des profils parallèles et transverses, puis des diagonales plus réduites et quelques mesures ponctuelles (voir photo figure 3). Les principaux résultats sont indiqués figures 4 et 5. Les indications de profondeur sont calculées avec une vitesse diélectrique de 0.12 m/ns, valeur donnée pour la roche basaltique sèche. Pour le site Enclos, les zones inhomogènes (entre les cotes 15 et 25 m des profils 152 et 154) ont été évitées et les mesures ont été ensuite concentrées sur la zone 30 à 35 m. Le profil diagonal 169 permet de détailler les 6 premiers mètres, et on y décèle une anomalie (cote 0 à 4 m) qui pourrait être une cavité. La mesure statique au niveau du point de forage choisi (figure 4d) montre plusieurs interfaces marquées à 2 m, 3.5 m et 6 m. Sur le site Piton de Bert, tous les profils réalisés montrent les mêmes interfaces (voir figure 5). La zone est donc remarquablement homogène, et l emplacement exact du forage a été choisi suivant les seuls critères de proximité de la piste et de végétation minimale. Sur le site Piton Partage, les mesures ont également montré une zone relativement homogène, avec quelques réflecteurs très localisés (voir figure 6). Le point de forage a été déterminé pour éviter ces anomalies et suivant le critère de végétation minimale et d éloignement d une petite ravine. 8

9 Figure 3 Mesures au radar géologique (GPR 270 MHz) au site Enclos (2 novembre 2010). Les coordonnées précises des trois sites sont données au tableau 1. Le projet n ayant reçu le financement que pour deux forages sur trois, nous avons choisi de réaliser en premier les sites Enclos et Piton de Bert en raison de leur meilleure accessibilité (piste Foc-Foc ) et de la plus faible densité végétale des sites ; la piste menant au site Piton Partage est en effet beaucoup plus difficile et le site lui-même plus fourni en végétation. Une fois le financement complémentaire trouvé, ce troisième site fera l objet d une nouvelle demande d autorisation au PNR. Les deux premiers sites ont été visités le 5 octobre 2010 par un botaniste du PNR qui a pu valider le niveau potentiel d impact sur l environnement, et le 8 octobre 2010 par trois entreprises de forage pour l étude de faisabilité et de mode opératoire suivant les recommandations et contraintes imposées par le PNR. Table 1 Coordonnées géographiques et UTM (WGS84) des sites. Nom des sites Lat/Lon WGS84 UTM (m) Altitude (m) Localisation approximative Piton Partage S E km W Piton Partage E N Enclos S E km ESE Piton Chisny E N Piton de Bert S E m WNW Piton Bois Vert E N 3 Travaux de forage 3.1 Réalisation des chantiers par l entreprise ROCS Nous avons commandé à ROCS deux forages 90 mm, 10 m de profondeur, avec tube scellé. Les travaux se sont déroulés du 3 au 19 novembre 2010 (mise en place et replis du chantier inclus) et les deux forages ont été livrés conformément au devis. L entreprise a utilisé une foreuse légère sur roues, un marteau fond de trou (MFDT) 105 mm et 10 tiges 75 mm d un mètre, deux compresseurs à air Atlas 10 bar / 10 m 3 /h et 25 m 3 /h, du stabilisateur Formous NP9000, du ciment haute-performance Lafarge CEMI 52.5N (dosage = 4 25 kg pour 60 l d eau) et un malaxeur/injecteur, tubes PVC 76/80 mm longueur 6 m, chaussette géotextile doublée, canule d injection du ciment (tube BP PEBD 16 2). Les caractéristiques de chacun des forages sont résumées au tableau 2. 9

10 Figure 4 Mesures radar au site Enclos. (a) et (b) profils parallèles antenne 270 MHz ; (c) profil diagonal 400 MHz ; (d) mesures statiques au point de forage (270 MHz). Les profils a), b), et c) ne sont pas corrigés de l offset en temps : il faut soustraire environ 1 m à l échelle verticale [graphes A. Anglade]. Figure 5 Mesures radar au site Piton de Bert. Profil 171 avec antenne 270 MHz. L ensemble de la zone est remarquablement homogène [graphe A. Anglade]. 10

11 Site n 3 Zone identifiée Figure 6 Mesures radar au site n 3 : plan des profils et profils diagonaux 187 et 180, et parallèles 184 et 185 (antenne 270 MHz) [graphes A. Anglade]. 11

12 Table 2 Résumé des caractéristiques de deux forages. Enclos Piton de Bert Début de chantier Fin de chantier Durée effective 10 h 11 h Cote forage tubé 10.8 m 10.8 m Volume ciment 110 l 70 l Commentaires - colmatage intermédiaire au ciment (suite effondrements) - changement du compresseur (10 à 25 m 3 /h) suite blocage tige - aucune sortie de débris - sortie de débris jusqu à 6 m - retard début de chantier (interdiction PNR) - retards chantier (crevaisons, attente compresseur, incendies) Les principales difficultés techniques rencontrées ont été la dureté de la roche (avec une lenteur de progression du marteau jusqu à 50 mn/m), le blocage fréquent de la tige lors de la traversée des couches de scories (en particulier à la remontée de l outil), l effondrement partiel des parois à la sortie de tige (perte de cote de 1.5 à 2 m résorbée par injection d air comprimé dans le tube). L accès aux sites fut également plus difficile que prévu : le camion-grue mettait 1h30 pour atteindre le site de Piton de Bert depuis le parking de début de piste ; il a subi une double crevaison et a été bloqué lors d un passage difficile (nécessité d un aplanissement localisé de la piste). Grâce à la sortie partielle des débris (au forage Piton de Bert) et surtout à la vitesse de progression du marteau qui a été attentivement notée, nous avons pu dresser un log approximatif des couches de roches traversées (voir figures 7 et 8). Pour les deux sites, on retrouve les principales interfaces détectées par radar : cotes 2.8 et 5.7 m au site Enclos, cote 6.2 m au site Piton de Bert. 3.2 Contraintes écologiques Ces travaux de relative ampleur au cœur du Parc National ont nécessité des autorisations formelles du PNR et de l ONF, et le respect d un protocole spécifique d exécution pour ROCS et l IPGP : utilisation de bâches, d absorbants, d un kit anti-pollution, la maîtrise des déchets, l optimisation des mouvements de véhicules et du stockage des matériels et des matériaux, la mise en place d un affichage au public, des contrôles réguliers de conformité des travaux en cours par des agents du PNR,... Ces contraintes règlementaires se sont ajoutées aux difficultés purement techniques et aux incendies interdisant momentanément l accès à la route du volcan (du 13/11 au 16/11). Notons qu elles ont eu un impact significatif sur le déroulement de la mission : outre les délais administratifs pour obtenir l autorisation qui ont failli faire annuler le lancement de la mission (premier contact avec le PNR en mars 2010 à la soumission du projet au BQR, démarches effectuées du 27/8 au 12/10, autorisation obtenue seulement le 3/11, jour de démarrage du chantier), les travaux ont été retardés à plusieurs reprises par des injonctions justifiées du PNR : interdiction de démarrage du premier forage dans l attente d une seconde validation des sites identifiés par le botaniste (les 3/11 et 4/11), demande express de conception et de mise en place de panneaux temporaires d information au public (les 7/11 et 10/11), demande de déplacement de matériels et matériaux pour un stockage hors site (le 10/11). Enfin, l intervention inattendue d une association locale mettant en doute les objectifs scientifiques et la légalité d exécution du projet nous ont incité, en complément de l information déjà donnée aux nombreux randonneurs sur les sites de forage au moment des travaux, à répondre favorablement aux sollicitations des médias (articles parus dans le Journal de l île du 7/11 et Le Quotidien du 18/11). Le récit des conditions particulières de réalisation de cette mission, suivi de propositions constructives (meilleure préparation, évolution des protocoles) ont été soumis au PNR dans le rapport d exécution [Beauducel, Kowalski & di Muro, 2010]. 12

13 La Réunion, novembre m 0.20 m Roche + cendre Cendre 2.00 m 2.80 m Cavité Cendre ou scorie 5.70 m Roche dure 8.00 m Roche dure m Vitesse du MFDT min/m ciment! 105 tube PVC Figure 7 Logs du forage Enclos : interprétation des types de roche traversée en fonction de la vitesse de forage. MFDT = marteau fond de trou [schéma C. Brunet]. 13

14 La Réunion novembre m 1.00 m Terre Scorie 3.00 Roche dure 5.80 m 6.20 m Scorie ou cendre Roche dure m Vitesse du MFDT min/m A partir de 9m, la foreuse fonctionne avec un compresseur 25 m3/h ciment! 105 tube PVC Figure 8 Logs du forage Piton de Bert : interprétation des types de roche traversée en fonction de la vitesse 1/3 de forage et des matériaux partiellement éjectés en surface. MFDT = marteau fond de trou [schéma C. Brunet]. 14

15 (a) (b) (c) (d) (e) (f) Figure 9 Photos du chantier : (a) dépôt de la foreuse sur la bâche et son absorbant (site Enclos) ; (b) tête du MFDT ; (c) forage en cours (site Piton de Bert) ; (d) mise en place du tube PVC ; (e) injection du ciment ; (f) signalisation temporaire de la tête de forage avant instrumentation. 15

16 IPGP/C.BRUNET Annexe Tube PVC, Chaussette et Canule (a) (b) Canule Chaussette Tube PVC!76-80 Chaussette retournée (c) (d) (e) Figure 10 (a) Compresseur 10 bar 10 m3 /h. (b) Compresseur 10 bar 25 m3 /h (5.6 t). (c) Embout inférieur du tube PVC et chaussette géotextile. (d) Embout supérieur du tube PVC et canule d injection du ciment. (e) Schéma de configuration du tube, de la canule et de la chaussette. 16

17 4 Instrumentation Conformément à nos objectifs, seul l un des deux forages a été instrumenté lors de cette mission, afin de tester notre méthodologie d installation. En prévision des nombreuses interventions de terrain, nous avons choisi d équiper le site Enclos pour son accessibilité plus aisée (possibilité d y accéder à pieds depuis le parking). Le forage du site Piton de Bert a quant à lui été simplement fermé par un bouchon vissé puis protégé par un coffret boulonné au sol ; une affichette d information a également été conçue et installée sur celui-ci (voir figure 20d). 4.1 Réponse instrumentale de l inclinomètre L inclinomètre LILY permet une fréquence d acquisition jusqu à 10 Hz environ, par moyenne de mesures échantillonnées à 1 khz (voir tableau 3). Afin de détecter d éventuels phénomènes transitoires, et sans limitation technique pour le stockage des données, nous avons opté pour une acquisition à 1 Hz. Les inclinomètres sont généralement utilisés pour enregistrer des signaux continus dans une bande de fréquences inférieures à quelques centièmes de Hz (typiquement 1 échantillon par minute). Avec un échantillonnage plus serré, il devient important de connaître la réponse instrumentale. Le constructeur Applied Geomechanics nous a fourni les caractéristiques d un capteur équivalent à celui utilisé dans le LILY : le 756-Series qui a cependant une sensibilité bien moindre (1 µrad de résolution, voir figure 12). Nous avons réalisé en laboratoire une mesure de réponse instrumentale au moyen d une table de calibration CT-EW1. Celle-ci permet d appliquer des échelons verticaux de ±0.09 mm à l extrémité d une table horizontale de 396 mm de long posée sur des pointes. Les variations d inclinaison de la table sont donc de ±0.09/396 = ±227.3 µrad. Pour simplifier l expérience nous avons positionné l axe X-Y du LILY à environ 45 de l axe de la table afin d appliquer les échelons sur les deux composantes en même temps (voir figure 13). La résultante est donc réduite d un facteur 2. Nous avons appliqué une dizaine d échelons à intervalle de 30 s, tout en enregistrant les mesures du LILY à 10 Hz (voir signaux figure 14ab). En considérant que les deux composantes du LILY sont bien perpendiculaires, et de réponse identique, on peut tout d abord calculer le facteur de calibration moyen sur le module de l échelon (après correction de la dérive instrumentale de µrad/s sur X et µrad/s sur Y) qui est de µrad, soit +2.7% de la valeur de la table (454.5 µrad). Chaque réponse indicielle a ensuite été extraite et dérivée dans le temps pour obtenir une réponse impulsionelle. Un spectre de puissance a ensuite été calculé pour chaque série temporelle. La figure 14c montre la moyenne des spectres non normalisés. La réponse instrumentale est clairement identifiée avec une fréquence de coupure vers 1.5 Hz, comparable à celle fournie par le constructeur, et une légère résonance vers 0.85 Hz assez marquée. Outre l écart d amplitude entre les deux composantes (lié au positionnement approximatif sur la table), on voit également un pic de bruit à 4 Hz sur la composante X qui est inexpliqué. Mais le laboratoire utilisé pour l expérience étant très bruité, il nous paraît inapproprié d interpréter le signal dans ces fréquences. À partir de cette réponse impulsionelle, nous pourrons calculer les pôles et zéros d un filtre équivalent. 4.2 Conditionnement des capteurs L inclinomètre LILY est d ores et déjà conditionné pour l installation en forage (tube Inox étanche à 345 bar). Afin de détecter les infiltrations d eau dans le forage et en mesurer les variations de niveau le cas échéant, nous lui avons ajouté le capteur submersible CS450 de Campbell Scientific qui permet une mesure de pression différentielle compensée en température (voir figure 11c et caractéristiques au tableau 4). Pour le placer en contrebas de l inclinomètre, deux pièces mécaniques ont été spécialement conçues dans le cadre de ce projet (voir plans des pièces en annexe B) : il s agit d un cylindre creux en aluminium (pièce n 01) et d une pièce intermédiaire en acier zingué (pièce n 02), de même diamètre extérieur que le LILY, permettant d accueillir le CS450 et de le maintenir vertical dans le prolongement de l inclinomètre. Le CS450 est fixé à la pièce n 01 par 6 vis. Sur le bouchon inférieur du LILY, quatre trous filetés permettent de fixer la pièce n 02 via 4 vis. La pièce n 01 est vissée dans la pièce n 02. Le câble sort de la pièce n 01 par une ouverture prévue à cet effet et longe ensuite le Lily (cf figure 16abc). 17

18 4.3 Mise en place des instruments au site Enclos La mise en place des capteurs dans le forage du site Enclos s est effectuée le 11/11. Les mesures ont débuté le 11/11 à 14:28 TU. Il y a eu ensuite des interventions les 12/11, 15/11 et 17/11. La configuration finale du forage instrumenté est présenté à la figure Couplage mécanique Pour assurer le couplage mécanique du LILY avec le tube du forage, le capteur est immergé dans du sable. Le sable est un matériau perméable qui a un indice de compression entre 0.01 et 0.1, soit un comportement mécanique entre incompressible et peu compressible. La partie supérieure du LILY comporte une potence d attache permettant la descente du capteur dans le forage et son éventuelle remontée (voir figure 16b). La résistance en traction des vis de fixations du LILY a été calculée à environ 800 kg. Toutes les pièces mécaniques ont donc été dimensionnées pour résister à cette force, et notamment le câble Inox de 8 mm, les serre-câbles et la manille Inox. En cas de besoin, l instrument devrait pouvoir être remonté malgré l éventuelle cimentation naturelle du sable avec le temps. Lors de l installation initiale au site Enclos (le 11/11), nous avons tout d abord déversé 1 l de sable dans le fond du tube (hauteur 20 cm) pour assurer un socle. L instrument a ensuite été déposé au fond sur le sable (11:50 TU) et nous avons effectué un premier nivellement motorisé. Ceci a confirmé que le forage était bien vertical dans une tolérance de ±10. Puis nous avons déversé 1.8 l de sable supplémentaire pour bloquer l instrument à environ un tiers de sa hauteur, et effectué un nouveau nivellement motorisé. L objectif étant d observer le comportement du LILY et du forage pendant plusieurs jours avant de recouvrir définitivement le capteur. Si l instrument devait être remonté pour une raison quelconque, cette quantité de sable nous ferait perdre seulement 60 cm de profondeur de forage, alors que la quantité totale prévue (6 l) correspond à 1.2 m. Le 12/11 entre 13:32 et 13:52 TU, nous avons appliqué des vibrations mécaniques au tube PVC pour forcer le tassement du sable. Des sauts significatifs (+4 µrad sur X et 30 µrad sur Y) ont été observés puis les signaux se sont stabilisés malgré de nouvelles vibrations. Le 15/11 entre 06:39 et 06:50 TU, de nouvelles vibrations ont été appliquées au tube, sans effets mesurables sur les inclinaisons. Les composantes X et Y montraient cependant de petits signaux parasites inexpliqués. Le 17/11, nous avons versé 3.1 l de sable tamisé correspondant à une hauteur théorique de 2.15 m, soit 75 cm au dessus du LILY. Le tamisage s est effectué en deux étapes : la séparation des gros grains par un tamis à 1.57 mm, puis l ajout de grains plus fins provenant d un second tamisage à 1.1 mm. Le sable versé contient donc des grains de taille supérieure à 1.1 mm. Ce sable a le double avantage d être plus fluide car sans cohésion, et d être a priori moins compressible. Le tube a été vibré pendant quelques minutes mais nous n avons observé aucun signaux inclinométriques associés. Nous avions également constaté que le câble Inox de soutien du LILY subissait des efforts mécaniques en étant recourbé sous le bouchon du forage. Nous en avons diminué la longueur et les mesures suivantes ont montré que les bruits parasites observés du 11/11 au 17/11 avaient ainsi disparu Orientation magnétique Les composantes XY de l inclinomètre ont été approximativement orientées au moyen de la boussole intégrée. Avant la mise en place dans forage, nous avons tout d abord mesuré l azimut magnétique du Nord géographique en surface, par des repères visuels, ce qui a donné environ 330. La déclinaison magnétique à la Réunion étant d environ 20, on voit l effet des fortes anomalies magnétiques de la roche (50 ) puisque la boussole aurait dû nous donner plutôt 20. Lors de la mise en place de l instrument au fond, nous avons appliqué une rotation du LILY par torsion de son câble de soutien pour tenter de retrouver une valeur équivalente à celle de la surface : cette opération était peu précise et nous nous sommes contentés de la valeur 313. L inclinomètre serait donc orienté X = N73 et Y = N343. Mais tout ceci est probablement loin de la réalité car il y a certainement un gradient vertical de l anomalie. L orientation définitive des capteurs sera effectuée en analysant les signaux provenant de téléséismes futurs (voir section 5.3). 18

19 Table 3 Principales caractéristiques de l inclinomètre LILY Applied Geomechanics. Principe 2 capteurs X-Y électrolytiques Rayon de courbure 6 (152 mm) Résolution rad Répétabilité rad Dynamique ±330 µrad Linéarité 0.2% pleine échelle Nivellement motorisé ±10 (±0.17 rad) Fréquence d échantillonnage 1 khz Réponse du capteur < 1 Hz (voir figure??) Période d acquisition 10/s à 1/jour par moyenne Capteurs complémentaires Boussole (0 à 360 ) Température ( C) Tension batterie (V) Mémoire flash interne 2 Mo Interface baud Consommation et alimentation V Conditionnement Tube Inox 36 2, 6.8 kg Environnement Températures 25 à +85 C Submersible à 345 bar Documentation LILY User s manual.pdf Table 4 Principales caractéristiques du capteur de pression/température CS450 Campbell Scientific. Principe Capteur de pression Dynamique 0 à bit Précision ±0.1% pleine échelle TEB (= 0.1 kpa) Résolution ±0.0035% pleine échelle (= 3.5 Pa) Fréquence d échantillonnage sur requête Réponse du capteur < 1.5 Hz Période d acquisition 10/s à 1/jour par moyenne Capteur complémentaires Température (0 à 60 ±0.2 ) Interface 9600 baud 1200 baud Consommation et alimentation V Conditionnement Tube Inox 316L , 180 g Environnement Températures 10 à +80 C Surpression 200 kpa Documentation CS450 User s manual.pdf Isolation thermique L isolation thermique est assurée par un cylindre de mousse de 110 cm de long (une frite de piscine), incisé sur toute sa longueur pour le passage des câbles. Le cylindre a été placé à environ 1.10 m sous la surface (voir figure 16c). Une double cordelette permet de le remonter si nécessaire. Lors de la dernière intervention sur le forage (17/11), nous avons bouché le haut du tube par de la mousse PU sur une hauteur d environ 30 cm. 4.4 Station d acquisition des données Les deux capteurs LILY et CS450 intègrent leurs propres numériseurs et communiquent par une interface série RS232. L antenne GPS choisie pour synchroniser et dater les données communique également ses trames par RS232. Pour réaliser l acquisition, la datation et la transmission des données, nous avons opté pour une solution moderne et évolutive : un mini-pc sous Linux avec ports série, stockage des données sur clés USB et liaison Ethernet via WiFi. La station de surface du forage comportera ce PC connectés aux capteurs (LILY, CS450 et GPS), l alimentation solaire (batterie, panneau solaire et 19

20 (a) (b) (c) Figure 11 (a) Inclinomètre LILY. (b) Vue interne du LILY : capteur électrolytique (à gauche) et son système de nivellement motorisé. (c) Capteur de pression/température CS450. Figure 12 Réponse en fréquence (amplitude et phase) d un capteur électrolytique équivalent à celui utilisé dans l inclinomètre LILY [document Applied Geomechanics] 20

21 Figure 13 Mesure de la réponse instrumentale du LILY en laboratoire : utilisation de la table de calibration. 21

22 LILY X LILY Y Calibration Table Tilt (µrad) Time (s) Tilt (µrad) LILY X LILY Y Calibration Table Detail of one input step and the tilt response Time (s) 15 Average frequency response of LILY tiltmeter 10 Power Spectral Density (db/hz) LILY X LILY Y Calibration Table Frequency (Hz) Figure 14 Mesure de la réponse instrumentale du LILY en laboratoire : réponse temporelle des deux composantes aux échelons d inclinaison successifs (±160 µrad) et spectre de la réponse impulsionnelle équivalente (moyenne des 9 spectres de réponses indicielles dérivées). 22

23 !"#$% 1"2%3.%4"567"89% 3.%#6%+",-.%*/% +",-.%*/% &'()*% +",-.%*0% 1"2%3.%4"567"89%3:%&'()*% (a) (b) (c) (d) Figure 15 Vues 3D éclatées (a)(b) et assemblées (c)(d) du LILY et des pièces de fixation du CS450 [Schémas C. Brunet]. 23

24 (a) (b) (c) (d) Figure 16 (a) Installation des instruments au site Enclos (avec l assistance d un agent du PNR). (b) CS450 dans son cylindre fixé au bas du LILY. (c) Système d attache supérieure du LILY. (d) Mise en place de l isolation thermique. 24

25 Forage Enclos La Réunion, novembre m m Mousse PU (L=0.3 m) Mousse dense (L=1 m) Tube PVC Ciment Sable non tamisé Sable tamisé Regard PVC Câble données Lily et CS450 Câble porteur Inox!8 Lily et CS450 Lily et CS450 Station d'acquisition Fox, Wifi, GPS Panneau Solaire 8.65 m 9.40 m 9.90 m m m (a) Figure 17 Description du forage instrumenté site Enclos [Schéma C. Brunet] 25

26 (a) (b) Figure 18 Détail de la carte PC Fox G20 et son conditionnement sur circuit dédié (alimentation et convertisseurs entrées/sorties) avec boîtier et connecteurs étanches. régulateur) et un transmetteur WiFi, le tout protégé dans une valise étanche Pelicase PC Fox Board NetusG20 ACME Le PC FoxG20 est une petite carte mère d ordinateur construite autour du microprocesseur Atmel ARM9 cadencé à 400 MHz. Il comporte une interface Ethernet et plusieurs ports série (USB et RS232), et permet d installer une distribution Linux complète comme Dedian sur une carte microsd. Livré sans aucun conditionnement, nous avons conçu un circuit imprimé dédié afin de monter le PC Fox dans un boîtier ROSE comportant des alimentations stabilisées, des convertisseurs de niveaux pour les ports RS232 et la connectique appropriée (voir figure 18, tableau 5 et annexe B). Par rapport à un système d acquisition classique, le principal intérêt de cette solution est l immense liberté de programmation (bash, Perl, C ou n importe quel autre langage) et d interfaçage avec les capteurs d un côté et le réseau Ethernet de l autre. Ceci se fait au détriment de la consommation (qui reste malgré tout très raisonnable) mais il y a aussi deux contraintes : 1) il faut que les capteurs aient déjà une sortie numérique, et 2) veiller à ce qu il n y ait pas de coupure brutale d alimentation (au risque de devoir vérifier/réparer les erreurs sur le disque, ce qui peut prendre plus d une heure...). Notons que le processeur NetusG20 intègre un petit convertisseur analogique/numérique 10 bit pour 4 entrées en tension (AT91ADC). Nous l avons utilisé pour enregistrer la tension batterie en complément. Pour cela il a d abord fallu faire une compilation croisée du noyau Linux pour construire le gestionnaire spécifique du convertisseur at91_adc.ko. La conversion est ensuite réalisée très simplement en lisant l un des 4 fichiers virtuels /sys/bus/platform/devices/at91_adc/chan? 0 à 3 qui renvoient une valeur entre 0 et Synchronisation par GPS 16xHVS GARMIN Le GPS (voir photo figure 19a et caractéristiques tableau 6) est utilisé pour obtenir la date et l heure UTC et mettre à l heure le PC (au démarrage puis périodiquement) qui lui-même datera les données de l inclinomètre et du capteur de niveau avant stockage. Pour cela nous utilisons la trame GPRMC qui est envoyée sur le port RS232 toutes les secondes Transmission WiFi : Bullet2 Ubiquiti L intérêt d utiliser un PC pour l acquisition est de pouvoir s y connecter par Ethernet (ssh, rsync). La connexion de la station est assurée par une Bullet2 (voir photo figure 19b et caractéristiques tableau 7) alimentée en POE (Power Over Ethernet) avec une petite antenne omnidirectionnelle 3 dbi. Le point 26

27 Table 5 Principales caractéristiques de la carte PC Fox G20 ACME. Processeur Atmel 400 Mhz CPU (Netus G20) Mémoire 64 Mb RAM Disque 2 Go sur carte microsd (jusqu à 16 Go) Interfaces 1 port Ethernet 10/100 Mbps 2 ports USB 2.0 (12 Mbps) 4 ports RS V 1 port debug (RS V + interface USB) 4 entrées ADC 10 bit (intégrées au processeur) Consommation et alimentation 80 5 V Conditionnement aucun d origine. Documentation FoxG20 web site Processeur AT91SAM9G20 Table 6 Principales caractéristiques du GPS 16xHVS GARMIN. Principe Récepteur GPS Sensibilité -185 dbw Données Sorties NMEA 0183 Interface 4800, 9600, 19200, baud Consommation et alimentation V Conditionnement Coque polycarbonate mm, 174 g Environnement Températures 30 à +80 C IPX7 (immersible à 1 m pendant 30 mn) Documentation GPS 16x User s manual.pdf d accès réseau OVPF le plus proche étant situé à environ 200 m seulement (relais P200), la Bullet a été installée dans la valise Pelicase et la connexion est stable (ping OVPF-Bullet = 15 ms) Alimentation solaire La consommation totale et maximale de la station (PC + capteurs + WiFi) a été estimée à 400 ma sous 12 V soit 4.8 W. Afin de respecter les standards matériels de l OVPF, nous avons choisi une batterie de 90 Ah, un panneau solaire de 60 W et un petit régulateur 10 A (voir tableau 8 et photos 20(b) et 20(d)). Ce dimensionnement correspond donc à un ensoleillement effectif de 2 heures par jour, et à une autonomie sans soleil de 5 jours jusqu à mi-charge de la batterie. Conformément à la latitude de la station, le panneau solaire a été orienté vers le Nord et incliné à environ 20 de l horizontale. Le support a été réalisé à l OVPF par 2 profilés acier en U, fixés au sol par tiges filetées Inox et ciment-colle. Table 7 Principales caractéristiques du transmetteur WiFi Bullet2 Ubiquiti. Principe Fréquences Antenne Sensibilité Interfaces Consommation et alimentation Conditionnement Environnement Documentation Point d accès WiFi 2.4 GHz 2412 à 2462 MHz sans (connecteur N-type mâle) TX 15 à 20 dbm RX -72 à -95 dbm 10/100 base-tx RJ-45 configuration par interface Web 4 W 7-24 V (POE) Plastique protégé UV mm, 180 g Températures 20 à +70 C Bullet2 Datasheet.pdf 27

28 (a) (b) Figure 19 (a) Antenne GPS 16xHSV Garmin. (b) Point d accès WiFi Bullet2 Ubiquiti. Table 8 Caractéristiques de l alimentation. Panneau solaire Régulateur Batterie Tenesol TE500CR+ 60 Wp Total Energie ENER10 12 V / 10 A SEC 12TLA90 12 V / 90 Ah 4.5 Protocole d acquisition L acquisition des données est réalisée sur le PC Fox G20 par plusieurs programmes écrits en Perl (voir la liste en annexe A) qui communiquent avec les capteurs et le GPS via les ports RS232, stockent les données sur clés USB et synchronisent avec l observatoire par le lien WiFi. Grâce au GPS, le PC est mis à l heure au démarrage (programme gpsclock), puis son horloge est régulièrement corrigée pour éviter toute dérive (programme keeptime). Deux programmes indépendants lily et cs450 assurent l acquisition des capteurs dont les données sont datées et stockées en mémoire RAM (disque virtuel tmpfs). Ils sont lancés par un daemon (lilyd) qui sert également de chien de garde en relançant les process en cas de plantage ou timeout. Ces programmes maintiennent en parallèle un buffer de données minute (moyenne), destiné au socket TCP. Un autre programme flushdata déplace une fois par heure les fichiers sur la clé USB principale, les synchronise sur la clé USB secondaire et copie les fichiers à l observatoire par un rsync via la connexion WiFi. Un dernier programme tcpserver ouvre un socket TCP en mode serveur et envoie les trames de données disponibles dès qu un client est connecté. Ce mode de fonctionnement permet d assurer : une acquisition continue (échantillonnage seconde pour l inclinomètre) sous forme de fichiers archivés en local (clé USB primaire) et à distance (disques OVPF) ; une sauvegarde locale sur la clé USB secondaire, que l on peut récupérer manuellement sur le site au besoin (il n y manquera que la dernière heure de données) ; l intégration dans le système temps-réel de l observatoire (flux TCP) avec base de données et graphes associés mis à jour toutes les minutes. 4.6 Notice d intervention sur le FoxG20 En mode de fonctionnement normal (depuis le réseau OVPF ou directement sur le câble Ethernet de la station), la connexion au PC se fait par ssh sous l utilisateur sysop (voir les informations réseau au tableau A.1). Si la couche réseau n est pas active sur le PC, on doit s y connecter par le port debug USB : celui-ci donne accès à un terminal TTY permettant par exemple de suivre le boot du système. La configuration du terminal est baud 8N1 sans contrôle de flux (utiliser l Hyperterminal sous Windows, ou minicom sous Linux). ATTENTION : Si l alimentation de la station devait être coupée, il faut impérativement arrêter le PC proprement auparavant. Pour cela, se connecter au FoxG20 sous l utilisateur sysop et taper./stoplily sudo shutdown -h now ce qui copiera les données en cours sur la clé USB, stoppera les acquisitions et arrêtera le PC en environ 35 s. Attention, les LED du FoxG20 restent allumées et continuent à clignoter ; rien n indique la fin du processus d extinction, sauf le message Power off sur le terminal debug. Lorsque l alimentation sera physiquement coupée puis rétablie, le boot normal prendra environ 75 s. Si la coupure a été brutale (sans 28

29 (a) (b) (c) (d) (e) Figure 20 (a) Vue de la station Enclos depuis le GR. (b) Vue intérieure de la valise étanche Pelicase : antenne WiFi et son câble Ethernet, PC, régulateur et batterie. (c)(d) Station Enclos définitive. (e) Station Piton de Bert. 29

30 shutdown préalable), il est possible que la carte microsd du système soit corrompue ; il faut alors laisser environ 1 heure au boot (vérification/réparation des disques) et le PC devrait finir par ressusciter... 5 Premiers résultats 5.1 Stabilisation du forage : dérive, températures et niveau La figure 21 présente l ensemble des données du LILY depuis la mise en place des instruments le 11/11. Sur l inclinomètre, on observe les premiers jours les tassements successifs du sable (naturels puis forcés) et le recentrage motorisé le 17/11. À partir de cette date commence une lente dérive d environ 10 µrad/mois sur la composante X, +6 µrad/mois sur Y qui se poursuit jusqu au 10/12. Notons qu il n y a aucune variation diurne ou corrélée à la température sur les composantes X et Y. Sur la température du LILY, on observe une rapide stabilisation de 16.6 à 15.6 C du 11/11 au 13/11. La mise en place de sable et l isolation définitive du forage le 17/11 déclenchent une nouvelle perturbation à 16.4 C suivie d une baisse quasi linéaire jusqu au 10/12 avec une dernière valeur à C. Sur le capteur de température du CS450, beaucoup plus sensible, on observe une lente stabilisation de 13.6 C (le 11/11) jusqu à C (le 10/12), et qui n a pas été perturbée par les interventions du 17/11. Ce capteur présente un bruit de fond d environ 10 4 K, et lorsqu on retire la dérive long terme, on perçoit une variation diurne d une amplitude de K. Lors de la mise en place du 11/11, le capteur de niveau du CS450 a mesuré une pression de 12 kpa, soit 120 cm d eau au fond du forage. Comme à cette date il n avait pas plu sur le Piton de la Fournaise depuis plusieurs semaines, et qu il semble exclu d avoir une nappe phréatique à 10 m de profondeur et à 200 m du bord de l Enclos, nous en avons conclu que cette eau provenait des travaux de forage et du rinçage du tube PVC (le 8/11). Le niveau d eau a rapidement baissé jusqu à 55 cm (le 17/11) et l on observe une augmentation d environ 10 cm au moment de l ajout de sable dans le forage. La baisse est ensuite régulière jusqu au 27/11 à l arrivée des premières pluies où l on commence à observer des perturbations quasi-périodiques (entre 3 et 10 fois par jour) qui vont s amplifier jusqu au 8/12 environ. Ces signaux restent inexpliqués à l heure de rédaction de ce rapport. Ils montrent tous une baisse très brutale (inférieure à une minute) du niveau de quelques cm d amplitude, suivie d une lente remontée avec une constante de temps de 1 à 3 heures. Ces signaux correspondent à un phénomène réel puisque la composante X de l inclinomètre les enregistre systématiquement avec une sensibilité d environ 0.05 µrad/cm. Ces phénomènes restent très ténus mais dans l attente d explication probante, nous suivons attentivement leur évolution avec la baisse du niveau qui se poursuit. 5.2 Couplage du forage : bruit microsismique et marées L intérêt d avoir mis en place une acquisition seconde est de détecter des phénomènes transitoires rapides. La conséquence est aussi d enregistrer le bruit microsismique. La figure 22 présente l ensemble des données depuis le 18/11 (le lendemain de la dernière intervention sur le forage). Les signaux hautefréquence varient entre ±0.5 et ±1 µrad d amplitude. Lorsque le signal est filtré par un passe-bas à 60 s, on réduit ce bruit d un facteur 50 environ, avec des amplitudes entre 10 et 20 nrad. On distingue alors parfaitement les ondes semi-diurnes des marées (voir détails section 5.3.2). Nous avons comparé les signaux de l inclinomètre avec ceux de la station Geoscope RER, située dans le tunnel de Rivière de l Est, à environ 10 km de distance du site Enclos. Cette station comporte un sismomètre 3 composantes très large-bande STS-1, dont les données sont disponibles en temps réel. Nous avons utilisé les canaux LH (échantillonnage 1 Hz) dérivés en temps pour obtenir des valeurs en accélération comparables aux inclinaisons. La figure 23 montre les spectrogrammes correspondants. On y voit parfaitement le bruit microsismique à 0.2 Hz (5 s) correspondant à la houle océanique. La similitude des signaux observés entre les deux stations est tout à fait remarquable, même si le LILY est plus bruité que le STS-1 dans les hautes fréquences (0.3 à 0.5 Hz). Sur le LILY, on voit un bruit basse fréquence du 11/11 au 17/11 jusqu à la dernière intervention sur le capteur, période correspondant à l absence de sable dans la partie supérieure du LILY, et à la perturbation probable liée au câble de soutien. Ce bruit disparaît complètement ensuite. On observe également le bruit lié au trémor de l éruption du 9/12. La mesure du bruit microsismique et des signaux de marées atteste de l excellent couplage mécanique de l instrument dans le forage. 30

31 Figure 21 Premiers signaux de la station Enclos du 11 novembre au 10 décembre 2010 (échantillonnage 60 s) : composantes inclinométriques X (bleu) et Y (vert) du LILY ; température du LILY ; température du CS450 ; pression du CS450 ; tension batterie. Événements annotés : A = tassements du sable (naturels et forcés) ; B = ajout complet de sable, mise en place de la protection thermique et recentrage ; C = première pluies sur le volcan ; D = signaux parasites inexpliqués sur le niveau ; E = éruption du 9 décembre. 31

32 Figure 22 Signaux temporels de l inclinomètre Enclos du 18 novembre au 10 décembre 2010 (échantillonnage 1 s) : composantes X et Y brutes (bleu) et filtrées à 60 s (rouge) ; température du LILY brute (rose) et filtrée (bleu). Outre la dérive de stabilisation du forage (environ 10 µrad/mois sur X, +6 µrad/mois sur Y), on observe les variations du bruit microsismique (entre 0.5 et 1 µrad d amplitude), les ondes semi-diurnes des marées (0.2 µrad) et le saut de l éruption du 9 décembre

33 Figure 23 Spectrogramme de la composante Y de la station Enclos (à gauche) et de la dérivée de la composante LHE de la station RER (à droite), du 11 novembre au 10 décembre 2010 (échantillonnage 1 s) : entre les deux stations situées à 10 km de distance, on observe la grande similitude des signaux de bruit microsismique provenant de l océan (centré sur 0.2 Hz = 5 s). Sur le LILY, on voit le bruit basse fréquence du 11 au 17 novembre jusqu à la dernière intervention sur le capteur. On observe également légèrement le bruit lié au trémor de l éruption du 9 décembre

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