Crises Volcanologiques et Tectoniques en Islande : Étude par GPS et Modélisation Numérique

L'étude utilise un réseau dense de stations GPS continu (CGPS) en Islande pour analyser la déformation crustale. L'accent est mis sur les Zones Sismiques Sud (ZSSI) et Nord (ZSNI) Islandaises, connues pour leur importante activité sismique et volcanique. L'objectif principal est de comprendre les mécanismes de déformation liés à l'activité tectonique et aux crises de rifting à travers l'analyse des données GPS. L’Islande, située sur la dorsale médio-atlantique et affectée par un point chaud, offre un contexte géodynamique unique pour ce type d'étude. Le suivi continu de la déformation par GPS permet d'observer les variations temporelles et spatiales des mouvements du sol, fournissant des informations cruciales pour évaluer le risque sismique et volcanique. Depuis 1999, 17 stations CGPS ont été installées, principalement autour de la ZSSI, permettant de détecter des déformations liées à des événements tels que l'éruption du volcan Hekla en 2000 et les séismes de juin 2000 dans la ZSSI. L'étude vise à caractériser ces variations temporelles et à identifier leurs causes, qu'elles soient tectoniques, volcaniques ou liées à des facteurs externes.

La méthode repose sur la mesure précise des distances entre les satellites GPS et les stations au sol. La précision des orbites des satellites est cruciale: l'utilisation d'éphémérides précises (environ 5cm) réduit l'erreur théorique à 0.2mm pour une ligne de base de 100km, contre 10mm avec des orbites radiodiffusées. Des effets atmosphériques, comme ceux de l'ionosphère et de la troposphère, introduisent des erreurs. L’ionosphère, milieu ionisé, introduit un retard sur les mesures de code et une avance sur la phase. Cependant, pour des stations proches, les effets ionosphériques sont similaires et se compensent dans la mesure de la distance relative. La troposphère, milieu neutre, cause un retard sur le temps de propagation, dépendant de la température, de la pression, et de l'humidité. Des modèles empiriques (Saastamoinen, Hopfield) permettent de corriger ces effets, mais l'effet humide de la troposphère reste difficile à modéliser précisément, engendrant une erreur de 2 à 5cm en vertical. La combinaison linéaire Melbourne-Wübbena est utilisée pour résoudre les ambiguïtés sur les longues bases.

L'analyse des déplacements des stations dans le système de référence ITRF2000 révèle une grande linéarité pour la plupart des stations entre juillet 2000 et décembre 2002, indiquant des déplacements constants. L’absence de séismes majeurs durant cette période est notable. Cependant, quelques stations présentent des variations temporelles, sur les composantes horizontales et verticales. L'origine de ces variations est complexe: signaux tectoniques, volcaniques ou influence climatique/hydrologique. Les variations verticales importantes, notamment près du volcan Katla (stations HVOL, SOHO, THEY) et SKRO, montrent des périodes de surrection (2-3cm) et de subsidence (maximum 1cm), corrélées entre elles et potentiellement liées aux saisons (surrection été-automne, subsidence hiver-printemps). Cette corrélation avec les saisons suggère une influence climatique et hydrologique plus importante qu'un signal tectonique ou volcanique direct. Pour la suite de l'analyse, la composante verticale est écartée en raison de sa sensibilité aux facteurs externes. Dans la ZSSI, six stations principales sont utilisées pour l'analyse, VMEY servant de référence en raison de sa grande linéarité de vitesse de déplacement dans l'ITRF. Pour la ZSNI, les stations AKUR et RHOF sont utilisées pour calculer une vitesse moyenne d'extension.

Cette section explore la déformation dans les zones volcaniques d'Islande, en se concentrant sur les régions les plus actives. La plupart des stations GPS continu (CGPS) sont situées dans ces zones volcaniques, notamment autour des volcans Katla, Hengill et Grimsvötn, en raison de l'intense activité sismique et volcanique et des risques associés. L’analyse porte sur l’évolution des séries temporelles des stations autour du Katla et du Hengill. Pour le Grimsvötn, le manque de données (seules les stations SKRO et HOFN sont utilisables) limite l'analyse. Les données obtenues sont sensibles à l'altération des mesures liée aux conditions météorologiques (SKRO) et aux changements d'antenne (HOFN), ce qui peut affecter la précision de l'interprétation de la déformation. L'objectif est d'identifier et de caractériser les relations entre l'activité volcanique et les variations de déplacement mesurées par le réseau CGPS. La complexité de l'interaction entre les événements volcaniques et sismiques est soulignée. Des exemples de séquences d'événements complexes sont mentionnés, illustrant la difficulté d'interprétation directe des données.

L'étude se concentre sur la zone sud de la Zone Volcanique Est (ZVE), plus précisément le complexe volcanique Katla (sous le Myrdalsjökull) et Eyjafjallajökull. Cette région est particulièrement active, comme en témoigne la forte augmentation de la microsismicité du volcan Katla et l'émission d'un lahar en 1999. L'installation des stations CGPS dans cette zone (VMEY, THEY, SOHO, HVOL) a suivi cette augmentation de l'activité. Une très forte concentration de microséismes est observée à l'aplomb du Katla entre 2000 et 2003, majoritairement à moins de 2km de profondeur. La station VMEY, présentant une déformation constante, sert de référence pour analyser les variations de la déformation locale autour du Katla. Les séries temporelles montrent un faible déplacement total des stations THEY, SOHO et HVOL par rapport à VMEY. Les vitesses moyennes de déplacement sont faibles (1.3 à 4.9 mm/an), et leur direction varie. L'analyse compare ces déplacements avec l'évolution de la microsismicité du Katla, révélant une alternance de périodes de forte activité et de calme.

Pour comprendre les mécanismes de la déformation, les séries temporelles des déplacements GPS sont comparées à l'évolution de la microsismicité du Katla, utilisant environ 12 000 séismes du réseau SIL. L'analyse révèle une alternance de périodes de forte activité sismique et de périodes de calme. Cinq périodes principales sont identifiées: trois périodes de forte activité (juillet 2000-mars 2001, octobre 2001-mai 2002, septembre 2002-décembre 2002) et deux périodes de calme (mars 2001-octobre 2001, mai 2002-septembre 2002). Cette alternance d'activité suggère une relation entre les variations de microsismicité et la déformation mesurée par GPS. L'étude souligne la nécessité de considérer cette corrélation pour une meilleure compréhension des mécanismes de déformation dans cette zone volcanique. L’analyse met en lumière la complexité de l’interprétation des données, soulignant la nécessité d’études plus approfondies pour une meilleure compréhension des processus en jeu.

Cette section introduit la crise de rifting du Krafla (Islande), survenue entre 1975 et 1984, un événement majeur étudié pour comprendre la déformation post-crise. L'Islande, située sur la dorsale médio-atlantique et influencée par un panache mantellique, présente un contexte géodynamique complexe. La crise du Krafla, caractérisée par une vingtaine d'événements volcanotectoniques, a été étudiée à travers des modèles numériques unidimensionnels (élasto-viscoélastiques ou élasto-visqueux), simulant la réponse de la lithosphère. Ces modèles, généralement à stratification sphérique, considéraient une croûte supérieure élastique sur un demi-espace viscoélastique. Le calcul des déplacements de surface a été réalisé à l'aide de la fonction de Green, une généralisation de la théorie des dislocations dans un demi-espace élastique. Des études précédentes ont mis en évidence le comportement visqueux de la croûte et du manteau supérieur, ainsi que la répartition spatiale de la réponse post-crise. Cependant, de nouvelles données et avancées technologiques permettent d'affiner ces modèles.

La modélisation 2D de la déformation post-crise utilise les observations de Tryggvason (1984) pour simuler la crise par une alternance de périodes de forte extension (pulses) et de calme. Des conditions aux limites spécifiques sont définies: vitesse normale nulle à la base du modèle (200km de profondeur), dans un manteau supposé très fluide. Une condition de pression de type fondation hydrostatique aurait été préférable pour limiter la taille du modèle, mais elle engendre des oscillations verticales. L'extension est simulée par un déplacement imposé pendant les pulses, correspondant à la valeur moyenne de l'ouverture mesurée par Tryggvason. Pendant les périodes de calme, la vitesse normale est nulle. L'application d'une vitesse imposée produit une ouverture en créneau, différente de l'ouverture progressive observée. Cette méthode pose un problème de sur-accumulation de contraintes aux limites du modèle, soulignant les difficultés inhérentes à la modélisation 2D. Une comparaison avec le modèle d'Okada est effectuée pour différentes largeurs de modèle, révélant une atténuation des vitesses près des bords pour les modèles plus étroits.

La modélisation 2D, par sa nature cylindrique et infinie selon une dimension, limite l’analyse de l'amortissement de la déformation au nord et au sud du champ de fracture du Krafla. Une modélisation 3D est nécessaire pour pallier cette limitation et prendre en compte des structures comme la faille d'Husavik-Flatey. L'introduction d'une crise de rifting sur le champ de l'Askja permet une simulation précise des déplacements mesurés entre 1987 et 1992, mais pas pour la période 1992-1995. Plusieurs hypothèses sont envisagées pour expliquer ces déplacements: erreur de référence, influence de la faille d'Husavik, ou événement inconnu. L'analyse se concentre ensuite sur l'influence de la faille d'Husavik-Flatey, qui concentre une grande partie de la microsismicité du Nord de l'Islande. Les mesures GPS montrent un gradient de déformation net entre l'île de Flatey et la péninsule au sud, confirmant le rôle de la faille. Des modèles avec faille libre et faille bloquée sont comparés. Les différences de vitesses sont faibles, mais le modèle à faille libre montre un déplacement légèrement plus vers le nord en 1997-1999 et des déplacements plus faibles près du Krafla en 1999-2002. L’analyse de l’évolution des vitesses en période post-crise met en évidence un gradient de déformation s’atténuant avec le temps.