Développement d'une nouvelle approche pour le monitoring en continu du radon (222Rn) dans les émissions hydrothermales des volcans // Development of a new approach for continuous monitoring of radon (222Rn) in volcanic hydrothermal emissions

De nombreux volcans présentent un système hydrothermal résultant de l'interaction à quelques centaines ou milliers de mètres de profondeur entre la chaleur et les fluides provenant du réservoir magmatique, les nappes d'eau souterraines et les roches encaissantes. Ces réacteurs thermo-chimiques naturels géants nécessitent une surveillance rapprochée car ils peuvent générer à eux seuls des aléas significatifs comme des explosions de vapeurs sous pression (éruptions phréatiques) et des effondrements de flancs, et car ils parasitent les signaux qui proviennent des réservoirs magmatiques plus profonds où se préparent les éruptions les plus importantes.

En complément des méthodes dites géophysiques basées sur les séismes, les déformations et l'électro-magnétisme, l'analyse des émissions de fluides hydrothermaux (fumerolles, sources d'eau chaude, lacs acides, dégazage diffus du sol) est fondamentale pour comprendre et surveiller les échanges de chaleur et de matière entre la cellule hydrothermale, le magma en profondeur et l'hydrosphère, qui contrôlent l'évolution de tels systèmes et leur capacité à entrer en éruption.

Dans ce but, le radon est un traceur unique permettant d'étudier les parcours et temps de transport des fluides mais son utilisation en surveillance volcanique opérationnelle est limitée aux émissions les plus froides ou à des suivis ponctuels car les techniques courantes de mesure en continu ne sont pas adaptées aux environnements agressifs des volcans. Nous proposons dans ce projet une nouvelle approche pour le monitoring en continu et à haute-fréquence du gaz radon (222Rn) dans l'ensemble des manifestations propres aux systèmes hydrothermaux volcaniques. L'approche proposée est fondée sur la détection in-situ des rayons gamma émis par les descendants du radon. Le caractère très pénétrant de ces rayonnements permettra d'éviter tout contact direct entre les fluides agressifs (chauds, acides) et le capteur lui-même, et d'accroître le volume de matière analysé (~1 mètre cube), ce qui est susceptible d'entraîner un gain important de robustesse, de sensibilité et de résolution temporelle.

Méthologie :
1. Dans un premier temps, le projet consistera à participer au montage et à l'opération d'un banc d'essai afin de caractériser et d'étalonner en laboratoire des prototypes de sondes gamma adaptées aux environnements volcaniques agressifs, récemment développés au LPCA. Plusieurs sondes seront ensuite déployées sur le terrain, en Auvergne et sur le volcan de la Soufrière en Guadeloupe.
2. Un second volet sera consacré à déterminer la sensibilité au radon et le bruit de fond des sondes, qui dépendent des milieux de déploiement. Pour cela, on aura recours à différents outils existants de simulation Monte Carlo du transport de rayonnement dans la matière et à l'analyse radiologique d'échantillons de terrain au sein de la plateforme Pavirma à Clermont-Ferrand.
3. Le troisième volet aura pour but d'analyser les données fournies par les sondes installées sur le terrain, à l'aide des résultats du volet précédent et en utilisant des techniques d'inversion et de machine learning, afin de remonter à la concentration de radon au sein des fluides et de valider cette nouvelle approche de mesure. Les séries temporelles de radon obtenues pourront enfin être interprétées dans un cadre volcanologique, en s'appuyant sur les données de surveillance existantes.
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Many volcanoes feature hydrothermal systems, resulting from the interaction at depths of
hundreds or thousands of meters between heat and fluids from the magma reservoir, groundwater and surrounding rocks. These giant natural thermo-chemical reactors require close monitoring, as they can generate significant hazards on their own, such as pressurized steam explosions (phreatic eruptions) and flank collapses, and as they interfere with signals from deeper magma reservoirs where the most significant eruptions are being prepared.

In addition to geophysical methods based on sismology, deformation and electromagnetics, the analysis of hydrothermal fluid emissions (fumaroles, hot springs, acid lakes, diffuse soil degassing) is fundamental to understand and monitor heat and chemical transfers between the hydrothermal system, the magma at depth and the hydrosphere, that control the evolution of such systems and their eruptive potential.

For this purpose, radon is a unique tracer that allows determination of the fluid pathways and transport time. However, its use in operational volcano monitoring is currently limited to relatively cold emission zones or to occasional surveys because conventional continuous detection techniques are not adapted to the harsh conditions found on volcanoes. In this project, we propose to develop a new approach for continuous, high-frequency monitoring of radon gas in all manifestations of volcanic hydrothermal systems (fumaroles, hot water springs, acidic lakes, soil diffuse degassing). The proposed approach is based on in-situ detection of gamma rays emitted by short-lived radon decay products. Because gamma rays are highly penetrating radiations, the analysed volume can be large (1 cubic meter) and there is no need for direct contact between the sensitive detector and aggressive (hot, acidic) fluids, which will likely result in a major gain of
robustness, sensitivity and temporal resolution.

Methodology:
1. Initially, the project involves the participation in the assembly and running of laboratory bench tests to characterize and calibrate prototype gamma probes adapted for aggressive volcanic environments, recently developed at LPCA. Several probes will then be deployed in the field, in the Auvergne and on La Soufrière volcano in Guadeloupe.
2. A second part is devoted the determinion of radon sensitivity and background levels of the probes, which depend on the deployment media. This will be achieved using existing Monte Carlo simulation tools for radiation transport in matter, and radiological analysis of field samples at the Pavirma facility in Clermont-Ferrand.
3. The third step will focus on the analysis of the data provided by the field probes, using the results of the previous part as well as inversion and machine learning techniques, in order to infer the radon concentration within the fluids and validate this new measurement approach. Finally, the radon time series obtained could be interpreted within a volcanological framework, using existing monitoring data.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Other public funding

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Université Clermont Auvergne

178 Sciences Fondamentales

interdisciplinarité, aptitude à travailler sur le terrain, programmation informatique
interdiscplinarity, ability to work on the field, programming