Etudes et évaluation de processus océaniques par des hiérarchies de modèles

Le suivi de la mise en place du magma à faible profondeur et de sa migration vers la surface est crucial pour prévoir les éruptions volcaniques.Avec les progrès récents de l'imagerie SAR et le nombre croissant de réseaux GNSS continus sur les volcans, il est maintenant possible de fournir une évolution continue et spatialement étendue des déplacements de surface pendant les périodes inter-éruptives. Pour les volcans basaltiques, ces mesures combinées à des modèles dynamiques simples peuvent être exploitées pour caractériser et contraindre la mise en pression d'un ou de plusieurs réservoirs magmatiques, ce qui fournit une meilleure information prédictive sur l'emplacement du magma à faible profondeur. L'assimilation de données—un processus séquentiel qui combine au mieux les modèles et les observations, en utilisant parfois une information a priori basée sur les statistiques des erreurs, pour prédire l'état d'un système dynamique—a récemment gagné en popularité dans divers domaines des géosciences. Dans cette thèse, je présente la toute première application de l'assimilation de données en volcanologie en allant des tests synthétiques à l’utilisation de données géodésiques réelles.La première partie de ce travail se concentre sur le développement de stratégies afin d'évaluer le potentiel de l’assimilation de données. En particulier, le Filtre de Kalman d'Ensemble a été utilisé avec un modèle dynamique simple à deux chambres et de données géodésiques synthétiques pour aborder les points suivants : 1) suivi de l'évolution de la pression magmatique en profondeur et des déplacements de surface et estimation des paramètres statiques incertains du modèle, 2) assimilation des données GNSS et InSAR, 3) mise en évidence des avantages ou des inconvénients de l'EnKF par rapport à une technique d'inversion bayésienne. Les résultats montrent que l’EnKF fonctionne de manière satisfaisante et que l'assimilation de données semble prometteuse pour la surveillance en temps réel des volcans.La deuxième partie de la thèse est dédiée à l'application de la stratégie mise au point précédemment à l’exploitation des données GNSS inter-éruptives enregistrées de 2004 à 2011 au volcan Grímsvötn en Islande, afin de tester notre capacité à prédire la rupture d'une chambre magmatique en temps réel. Nous avons introduit ici le concept de ``niveau critique'' basé sur l’estimation de la probabilité d'une éruption à chaque pas de temps. Cette probabilité est définie à partir de la proportion d'ensembles de modèles qui dépassent un seuil critique, initialement assigné selon une distribution donnée. Nos résultats montrent que lorsque 25 +/- 1 % des ensembles du modèle ont dépassé la surpression critique une éruption est imminente. De plus, dans ce chapitre, nous élargissons également les tests synthétiques précédents en améliorant la stratégie EnKF d'assimilation des données géodésiques pour l'adapter à l’utilisation de données réelles en nombre limité. Les outils de diagnostiques couramment utilisés en assimilation de données sont mis en oeuvre et présentés.Enfin, je démontre qu'en plus de son intérêt pour prédire les éruptions volcaniques, l'assimilation séquentielle de données géodésiques basée sur l'utilisation de l'EnKF présente un potentiel unique pour apporter une information sur l'alimentation profonde du système volcanique. En utilisant le modèle dynamique à deux réservoirs pour le système de plomberie de Grímsvötn et en supposant une géométrie fixe et des propriétés magmatiques invariantes, nous mettons en évidence que l'apport basal en magma sous Grímsvötn diminue de 85 % au cours des 10 mois précédant le début de l'événement de rifting de Bárdarbunga. La perte d'au moins 0.016 km3 dans l'approvisionnement en magma de Grímsvötn est interprétée comme une conséquence de l'accumulation de magma sous Bárdarbunga et de l'alimentation consécutive de l'éruption Holuhraun à 41 km de distance. / Tracking magma emplacement at shallow depth as well as its migration towards the Earth's surface is crucial to forecast volcanic eruptions.With the recent advances in Interferometric Synthetic Aperture Radar (InSAR) imaging and the increasing number of continuous Global Navigation Satellite System (GNSS) networks recorded on volcanoes, it is now possible to provide continuous and spatially extensive evolution of surface displacements during inter-eruptive periods. For basaltic volcanoes, these measurements combined with simple dynamical models can be exploited to characterise and to constrain magma pressure building within one or several magma reservoirs, allowing better predictive information on the emplacement of magma at shallow depths. Data assimilation—a sequential time-forward process that best combines models and observations, sometimes a priori information based on error statistics, to predict the state of a dynamical system—has recently gained popularity in various fields of geoscience (e.g. ocean-weather forecasting, geomagnetism and natural resources exploration). In this dissertation, I present the very first application of data assimilation in volcanology from synthetic tests to analyzing real geodetic data.The first part of this work focuses on the development of strategies in order to test the applicability and to assess the potential of data assimilation, in particular, the Ensemble Kalman Filter (EnKF) using a simple two-chamber dynamical model (Reverso2014) and artificial geodetic data. Synthetic tests are performed in order to address the following: 1) track the magma pressure evolution at depth and reconstruct the synthetic ground surface displacements as well as estimate non-evolving uncertain model parameters, 2) properly assimilate GNSS and InSAR data, 3) highlight the strengths and weaknesses of EnKF in comparison with a Bayesian-based inversion technique (e.g. Markov Chain Monte Carlo). Results show that EnKF works well with the synthetic cases and there is a great potential in utilising data assimilation for real-time monitoring of volcanic unrest.The second part is focused on applying the strategy that we developed through synthetic tests in order to forecast the rupture of a magma chamber in real time. We basically explored the 2004-2011 inter-eruptive dataset at Grímsvötn volcano in Iceland. Here, we introduced the concept of “eruption zones” based on the evaluation of the probability of eruption at each time step estimated as the percentage of model ensembles that exceeded their failure overpressure values initially assigned following a given distribution. Our results show that when 25 +/- 1% of the model ensembles exceeded the failure overpressure, an actual eruption is imminent. Furthermore, in this chapter, we also extend the previous synthetic tests by further enhancing the EnKF strategy of assimilating geodetic data in order to adapt to real world problems such as, the limited amount of geodetic data available to monitor ice-covered active volcanoes. Common diagnostic tools in data assimilation are presented.Finally, I demonstrate that in addition to the interest of predicting volcanic eruptions, sequential assimilation of geodetic data on the basis of EnKF shows a unique potential to give insights into volcanic system roots. Using the two-reservoir dynamical model for Grímsvötn 's plumbing system and assuming a fixed geometry and constant magma properties, we retrieve the temporal evolution of the basal magma inflow beneath Grímsvötn that drops up to 85% during the 10 months preceding the initiation of the Bárdarbunga rifting event. The loss of at least 0.016 km3 in the magma supply of Grímsvötn is interpreted as a consequence of magma accumulation beneath Bárdarbunga and subsequent feeding of the Holuhraun eruption 41 km away.