Lors de cette thèse, nous avons utilisé l’interférométrie RADAR à sunthèse d’ouverture (InSAR) pour mesurer et caractériser la déformation de la surface du sol de deux volcans aux volcanismes très différents mais présentant tous deux une forte activité - Piton de la Fournaise (Ile de La Réunion, France) volcan de type basaltique et le Llaima (Chili) de type andésitique.
Pour Piton de la Fournaise, nous avons d'abord cartographié et analysé le déplacement associé aux éruptions transitoires s’échelonnant entre 2007 et 2014, avec pour objectif principal d'étudier le comportement spatio-temporel du champ de déplacement sur le long terme en 2007-2014 (en particulier, de 2009 à 2014) au moyen de l'analyse couplées des séries temporelles InSAR et GNSS. Nous avons adopté la méthode de Small Baselines (SB) -InSAR améliorée basée sur la méthode de Stanford pour les points reflecteurs permanents (StaMPS) pour effectuer une analyse détaillée des séries chronologiques en bande X fournis par les satellites COSMO-SkyMed et TerraSAR-X / TanDEM-X. Nous proposons une nouvelle approche de correction basée sur une méthode de décomposition des composantes principales pour discriminer les déplacements des artefacts car nous avons démontré que les méthodes traditionnelles de correction sont inapplicables dans les conditions spécifiques de Piton de la Fournaise. Cette approche s'est révélée efficace pour ce volcan, ce qui nous a permis d'obtenir finalement des cartes de déplacement d’une grande précision pour la série temporelle InSAR. L'analyse qualitative conjointe des données de l'InSAR et du GNSS révèle un secteur en mouvement, fortement dépendant du temps. Ce secteur locolisé sur le flanc oriental, est affecté par les déplacements vers le bas et vers l'est au cours de la période 2009-2014. Une étude plus approfondie combinant l'analyse ASAR de la bande C et des études antérieures a permis de confirmer que ce mouvement de flanc répandu du Piton de la Fournaise est continu depuis 2007. Nous avons exploré plusieurs origines possibles, y compris celle de discontinuité structurelle préexistante sous le flanc oriental, ou de changements dans le régime des contraintes sommitales liés au magmatisme et aux failles activées par celui-ci pour expliquer cette contribution secondaire long terme et qui est considérée comme une preuve directe de la forte instabilité potentielle de ce flanc.
Pour Llaima, nous avons analysé six images descendantes ASAR en bande C et huit images ascendantes ALOS en bande L pour caractériser les déformations entre 2003 et 2011. Les conditions environnementales très complexes et la quantité limitée de données RADAR disponibles rendent difficile la mesure fine des déplacements par InSAR. Pour contourner à ces difficultés, nous avons effectué d'abord une analyse minutieuse des variations de vapeur d'eau à l'aide de spectromètre d'imagerie (MERIS et MODIS) pour estimer de manière idépendante les effets troposphériques, puis nous avons ensuite inversé les interférogrammes non-déroulés pour obtenir les retards de phase corrélés à la topographie et un modèle simple de la source magmatique. Les résultats montrent qu'il n'y a pas de déplacement du sol détectable associé à une source magmatique profonde au cours de la période éruptive de 2008. Cette interprétation diffère fortement de celle de Bathke et al. (2011) qui ont considèré les effets atmosphériques comme étant négligeables dans leur étude, mais renforce celle de Fournier et al. (2010) avec une analyse rigoureuse des effets de la troposphère dans les interférogrammes SAR. Nos résultats révèlent également un soulèvement possiblement du à une augmentation de pression dans la source magmatique située à 7 km sous le sommet de l'édifice volcanique avant l'éruption d'avril 2009 à Llaima. |
We address in this dissertation the use of Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) to measure and characterize ground surface deformation at two volcanoes – Piton de la Fournaise (La Réunion Island, France) and Llaima (Chile).
For Piton de la Fournaise, we first present the co- and post-eruptive ground displacement triggered by the March-April 2007 eruption by combining C band ASAR time serises analysis and previous studies. Then we map and analyze the ground displacement associated with transient eruptive events between 2009 and 2014 using conventional InSAR. The main focus then is to investigate spatio-temporal behavior of the long-term displacement field over 2009 – 2014 period by means of InSAR and GNSS time series analysis. We adopt an enhanced Small Baselines (SB)-InSAR method based on Stanford Method for Persistent Scatterers (StaMPS) to perform a detailed time series analysis on X band COSMO-SkyMed and TerraSAR-X/TanDEM-X data. We propose a new correction approach based on a principal component decomposition method for discriminating the displacement signal from artifact. This approach is proved to be efficient for the case of this study, allowing us to finally obtain high-precision InSAR time series maps of ground displacement. InSAR maps shows that most of the edifice volcanic was affected by varying degrees of ground motion related to different physical origins. We characterize the temporal behavior of displacement of the recent lava flows and evaluate the magnitude of the post-lava flow emplacement motion and its contribution in the InSAR time series maps. Qualitative and joint analysis of InSAR and GNSS data reveal a widespread time-dependent moving sector on the Eastern Flank affected by downward and eastward displacement during the 2009-2014 period. This widespread flank motion has kept deforming since 2007 for at least 7 years. We explore several possible origins including a pre-existing structural discontinuity beneath the Eastern Flank, summit stress associated with magmatism, and activated faults movement to explain the observed widespread time-dependent flank motion that is considered to be a direct evidence of a potential flank instability.
For Llaima, we analyze six C band ASAR descending images and eight L band ALOS ascending images to search for ground deformation between 2003 and 2011. Complex environment conditions and limited amount of radar data available make it challenging to accurately measure ground displacement with InSAR. To overcome these difficulties, we first perform an analysis of the water vapor variations using Medium-Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) and Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) near-infrared water vapor products and then we invert wrapped interferograms for both topographic correlated phase delays and a simple model source strength. Results show that there is no detectable ground displacement related to a deep magmatic source during the 2008 eruptive period. This interpretation differs strongly from that of Bathke et al. (2011) who considered the atmospheric effects as being negligible in their study, but strengthens that of Fournier et al. (2010) with a rigorous analysis of tropospheric effects in SAR interferograms. Our result also reveals a possible burst of uplift related to a pressure increase within a magmatic source located at 7 km beneath the summit of the volcanic edifice prior to the April 2009 eruption at Llaima. |