Non classé Cayol Valérie

Cayol Valérie

CNRS Research fellow, Habilitation à Diriger des Recherches
Volcanology group of Laboratoire Magmas and Volcanoes (LMV)
Tel: 33 (0)4 73 34 67 69 ou 04 77 48 15 36
v.cayol@opgc.fr

Two children

  • Thèmes de recherches principaux :

    Development of 3D numerical methods for the analysis of volcano deformations

    Afin de calculer rapidement les déformations et les contraintes associées à des fractures en milieu élastique homogène et isotrope, tout en prenant en compte les topographies réalistes, j’ai combiné des méthodes d’éléments frontières (Cayol et Cornet, IJRMMS, 1997, JGR, 1998). Combinée à des inversions, cette méthode permet la détermination des sources de déplacement du sol, qu’elles correspondent à des réservoirs, des intrusions planaires ou des failles (Fukushima et al., JGR, 2005). Cette méthode de modélisation inverse est disponible sur le liens DefVolc. Pour obtenir un compte, vous devez me contacter.

    Deux videos présentent DefVolc, la première présente l’interface web et la seconde présente le pré- et post-processeur (en anglais).

     

    Avec mes collègues du département de mathématiques, nous (enfin surtout eux) avons aussi développé une méthode de domaines fictifs permettant la prise en compte des hétérogénéités et anisotropies (Bodart et al., SIAM, JSC, 2016).

    fig5Influence de la topographie dans le signal de déformation induit par une source sphérique L’interférogramme de l’Etna pour la période 1992-1993 (a) indique une déflation qui peut être en partie modélisée par une source sphérique située sous un volcan proéminent (c). Lorsqu’on modélise cette déformation en négligeant la topographie (b), le signal de déformation est moins bien expliqué (Cayol et Cornet, GRL, 1998).
    Test synthétiques de détermination des sources à partir de méthodes de cluster (Thèse A. Augier).

    Méthode de Cluster pour la détermination des sources sans a-priori sur leur géométrie Des tests synthétiques sont effectués dans lesquels un modèle généré par éléments frontières (maillages à gauche)  est inversé par la méthode de cluster (images au centre). Ici différentes géométrie de sources sont superposées. La  méthode permet de retrouver correctement les géométries de sources (Thèse A. Augier).

    Étude du transfert et du stockage du magma

    Ces méthodes ont été appliquées au Piton de la Fournaise et sur les volcans du Nyiragongo et Nyamuragira afin d’étudier la façon dont le magma s’injecte dans les édifices.

     

    Modèles pour les éruptions du Piton de la Fournaise survenues entre mars 1998 et juin 2000 Ces modèles sont obtenus par l’analyse de données RADARSAT-1 grâce à des modélisations éléments frontières combinées à des inversions de type proches voisins (Fukushima et al., JGR, 2005). Ces modèles correspondent à des dikes superficiels, allongés horizontalement et qui suivent la topographies. Ils sont situés au dessus de l’essaim sismique pré-éruptif (Fukushima et al., JGR, 2010).

    Nyigo_2002

     

    Modèles pour l’éruption de janvier 2002 au Nyiragongo (RDC) Les inversions  montrent que l’éruption correspond à deux dikes : l’un correspond à la fissure éruptive et est superficiel, l’autre s’étend sous le lac Kivu sur 20 km, et s’est arrêté à 2 km sous la surface (Wauthier et al., JGR, 2012).

    Model_Nyamu_2010

     

     

    Modèles pour l’éruption de 2010 au Nyamulagira (RDC) Pour cette éruption, le volume émis est 10 fois supérieur à la déflation du réservoir, ce qui peut s’expliquer par la compressibilité du magma, contenant 0.1wt% de CO2  (Wauthier et al., Remote Sensing, 2015)

    Propagation du magma lors de l’éruption du Piton de la Fournaise de mai 2016 Les données InSAR et GNSS continues ont été inversées simultanément afin de déterminer comment le magma se propage depuis sa source vers la surface (voir Smittarello et al., Remote Sensing, 2019 pour la méthode). Nous avons déterminé que la propagation se faisait par à-coups avec une phase d’accélération et une pause avant la mise en place d’un dike final. Le volume de magma contenu dans l’intrusion et émis en surface résulte probablement d’un seul apport survenu en début d’éruption. La phase finale de la propagation pourrait résulter de la diminution de contraintes liés à une glissement de flanc est ou de la pression exercée par les gaz accumulés en haut du sill (Smittarello et al., JGR, 2019).

    Étude des mouvements de flanc des édifices volcaniques

    Des modélisations ont été menées au Kilauea, à l’île de la réunion (Piton des neiges et sur le Piton de la Fournaise) afin de comprendre la conséquence des intrusions de magma sur la stabilité des édifices.


    stresses76-82Contraintes de Coulomb induites par l’ouverture des rift zones du Kilauea, laquelle est couplées à un glissement sur le décollement  du flanc sud du volcan Ce modèle a été établi à partir des déformations du volcan mesurées entre 1976 et 1983. Il montre que la sismicité est située sur la partie du décollement qui est bloquée (Cayol et al., Science, 2000).
    Disp_slope_subh_ini

     

     

     

    Déplacements induits par des injections de sills, éventuellement cisaillées et des failles. Cette étude compare les déplacements internes et les déplacements à la surface du sol engendrés par toute une variété de fractures, que ce soient des intrusions, des intrusions cisaillées ou des failles. Il est supposé que, lorsque les fractures ne se mettent pas en place perpendiculairement à σ3, elles se cisaillent sous l’effet de la gravité (σ1). Ce cas peut se produire si les fractures sont guidées par des discontinuités pré-existantes. Comme le magma annule la friction, les intrusions relâchent les contraintes cisaillantes, de la même façon qu’un faille de friction nulle. Ici k =σ31 = 0.6 (Cayol et al., JGR, 2014).

    Inversion du déplacements de flanc survenus lors de l’éruption d’avril 2007 au Piton de la Fournaise. L’éruption d’avril 2007 a été exceptionnelle à plusieurs égards : les volumes de lave émis ont été les plus importants du XX et XXI siècle (240 x 106 m3), un effondrement de la caldera sommitale de 340 m s’est produit, ainsi qu’un glissement de flanc de 1.4 m vers l’est. Cette étude vise à comprendre l’origine du glissement de flanc est. Le modèle le plus communément admis pour les glissements de flancs de volcans est qu’ils résultent de mouvements sur des failles déclenchées par la répétition d’intrusions de magmas. Récemment, un autre modèle de glissement de flanc a été suggéré par des études de géologie structurale au Piton des Neiges (Famin et al., 2010; Chaput et al., 2014), le voisin éteint du Piton de la Fournaise. Dans ce modèle, les glissements de flancs seraient induits par la mise en place d’intrusions le long de discontinuités pré-existantes, de telles sortes que les intrusions subissent un cisaillement, similaire à celui induit sur des failles. L’étude des déplacements de flancs postérieurs à 2007 montre que ceux ci résultent de la compaction et du cisaillement d’une fracture parallèle à la topographie, située à 500 m sous la surface du sol. Néanmoins, nous trouvons que la contraction est trop importante pour être attribuée à un sill, et semble plutôt liée à la compaction d’un pli en détachement probablement situé à l’interface entre d’anciennes coulées (Tridon et al., JGR, 2016).

    Combinaison des inversions de déformations aux inversion de taux de sismicité pour des failles dont la friction suit les lois  “rate and state” (Dieterich, 1994)

    figure08-revisedModèle pour les éruptions du Kilauea de 1983 et 1977 En comparant les contraintes de Coulomb correspondant à des calculs numériques par éléments frontières (figures du haut) et des inversions utilisant les taux de sismicité (figures du bas), nous avons trouvé que ces éruptions correspondaient à la propagation verticale d’un dike issu des rift-zones (Dieterich et al., Nature, 2000; Dieterich et al., USGS Prof. Pap., 2003).

    Inversion conjointes de données de muographie et de gravimétrie

    Les données de gravimétrie comme de muographie permettent de déterminer les densités crustales. Néanmoins, les inversions de ces données sont des problèmes inverses linéaires mal-posés. En combinant gravimétrie et muographie, on améliore les déterminations de densités. Néanmoins, les inversions dépendent d’hyperparamètres (une variance sur la densité a priori, σρ, et une distance caractéristique de lissage, λ), qui sont le plus souvent déterminés de façon ad-hoc ou en référence à un cas test unique. Ces hyperparamètres ont une influence cruciale sur les densités retrouvées et leur mauvaise estimation peut conduire à des artefacts. En outre les densités imagées par gravimétrie et muographie diffèrent souvent d’une constante. Nos études, basées sur un formalisme Bayesien, ont visé à mettre au point des méthodes robuste de détermination des hyperparamètres (Barnoud et al., GJI, 2019) et du décalage entre densités imagées (Lelièvre et al., GJI, 2019). Pour cela des tests ont été effectués sur un volcan fictif dont la géométrie est proche du Puy de Dôme. Ces méthodes ont ensuite été appliquées au puy de Dôme (Barnoud et al., en préparation).

    La méthode la plus robuste pour la détermination des hyperparamètres est celle du Leave-One-Out. Elle consiste à sommer les résidus obtenus en des points omis dans l’inversion. Le minimum de ce critère (point blanc sur la figure du haut) correspond bien  à un modèle proche du modèle initial (figures du bas) (adapté de Barnoud et al., GJI, 2019) Le décalage déterminé par moindres carrés linéaires donne les modèle inverse très proche du modèle initial. Les discontinuités de densités de ce modèle sont représentées par les lignes blanches (de Lelièvre et al., GJI, 2019)

     


    Volcans étudiés :

    Piton de la Fournaise volcano (Réunion Island, France), Nyiragongo and Nyamulagira volcanoes (Democratic Republic of Congo), Kilauea Volcano (Hawaii, U.S.A.), Soufriere Hills volcano (Montserrat, West Indies).

    Mentoring :

    Scientific and administrative responsibilities :

    • 2020-present: In charge of the Volcanology group;
    • 2019-present: member of the organizing committee of the Laboratory of Excellence ClerVolc. In charge of theme 2 dedicated to the structure and the deformation of volcanic edifices.
    • 2018-present: elected member of the scientific committee of Observatoire de Physique du Globe de Clermont.
    • 2007-2016: Member of the scientific committee of Vulcania in St Ours.
    • 2011-2016: in charge of the computer commission for Laboratoire Magmas et volcans.
    • 1999-2003: Member of the laboratory committee for Laboratoire Magmas et Volcans

    Conference organization :

    • 2019 : member of the scientific committee of the MDIS-Form@ter conference which took place from October 14 to 18, October 2019.
    • 2017 : Co-organization (with J.L. Froger) of the MDIS-Form@ter conference which took place from the 16 to the 20 of October 2017.
    • 2015 : Member of the organizing committee of the GeoMod, which took place in 2016.
    • 2015 : member of the scientific committee of the MDIS ForM@Ter workshop (Deformation measurement by space imagery) : October 7-8-9th, Autrans, Octobre 2015.
    • 2012: Member of the program committee for the AGU Chapman conference “Hawaiian volcanoes, from source to surface“, Hawaii
    • 2011: Member of the scientific committee for the EFIDIR spring school (fttp://www.efidir.fr) at les houches, April 2011.
    • 2001-2004: Seminar organization for the Laboratoire Magmas et Volcans.
    • 2012-2014: Steering committee member for Belgium Federal Science Policy Office (Belspo) project on Earth observation VI-X : Study and monitoring of Virunga volcanoes using Tandem-X.

    Evaluation activities :

    • 2019 : Member of the recruiting committee for an assistant professor position at Institut de physique du Globe de Paris.
    • 2019-present : Member of the Advisory Board of the Center for the Observation and Modelling of Earthquakes, Volcanoes and Tectonics (COMET)
    • 2018-2019 : Participation to the selection committee for the Fulbright fundation au comité de selection de la fondation Fulbright for exact and applied sciences, and for earth and life sciences. Evaluation of researchers and PhD student projects.
    • 2017 – present : member of the evaluation committee of the CNRS-INSU TelluS-ALEA projects.
    • PhD examiner for the thesis of Aline Peltier at University of la Réunion (july 2008), Paola Traversa at LGIT, University Joseph Fourier at Grenoble (october 2009), Fabien Albino at LGIT, University Joseph Fourier at Grenoble (Jan. 2011), Andrew Toombs at the University of Reading (June, 2011), Agathe Schmid at LGIT, University Joseph Fourier at Grenoble (Oct. 2011), Anne Obermann (LGIT, 2013).
    • 2002-2005 and 2010: Member of recruiting committee at ISTerre at Université de Savoie (2010).
    • 2012 and 2001: Member of the permanent Jury for Master2 at LMV.
    • Reviews for Nature Geoscience, Tectonophysics, Journal of Geophysical research, Geophysical research Letter, Journal of Volcanology and Geothermal Research, Physics of the Earth and Planetary Interior, Bulletin of Volcanology.
    • Review of projects for the NSF, Icelandic Research Fund, Observatoire des Sciences de l’Univers de Grenoble (OSUG)

    Collaboration :

    • Laboratoire de Mathématiques de l’Institut Camille Jourdan à St Etienne, in the framework of a CNES grant.
    • laboratoire de Mathématiques (LM) et Laboratoire d’Informatique, Modélisation et Optimisation des Systèmes (LIMOS), Laboratoire de Physique Corpusculaire (LPC) de l’Université B. Pascal dans le cadre du laboratoire d’excellence Clervolc.
    • IsTerre, Université de Savoie, Le-Bourget-du-Lac
    • Université de la Réunion, IPGP‎.
    • Royal Museum for central Africa, Tervuren, Belgium.
    • National Museum of Natural History, Walferdange, Luxembourg
    • Research Center for Earthquake Prediction, Disaster Prevention Research Institute, Kyoto University, Japan.
    • The Pennsylvania State University, Etats-Unis
    • UC Riverside, Etats-Unis.
    • Cascade Volcano Observatory, U.S.G.S.
    • GFZ, Postdam.

    Journeys in foreign laboratories :

    • 2016-2017: Journey at the Cascade Volcano Observatory of l’U.S. Geological Survey, Fulbright Research Grantee.
    • 1996-1997: Post-Doctorat at the U.S. Geological Survey in Menlo Park, Californie, U.S.A. Research subject : joint inverions of micro-earthquakes and deformations to determine stress changes associated to Kilauea (Hawaii).

    Teaching :

    • Introduction to numerical modeling, Introduction to geomechanics, Deformations at La Réunion, Master 1, Master 2, Laboratoire Magmas et Volcans, Univ. Blaise Pascal, Clermont-Ferrand, France.
    • Rock mechanics and numerical modelling, Master 2, IPGP, France

    Background :

    • 1998-Present: Research Fellow, CNRS, Laboratoire Magmas et Volcans, University of Clermont-Ferrand.
    • 1996-1997: Post-Doctorat, U.S. Geological Survey, Menlo Park.
    • 1996 Ph. D. in Geophysics, IPGP, Mention très honorable avec félicitations.
    • 1992 D.E.A. in Geophysics, Institut de Physique du Globe de Paris (IPGP), Mention Assez Bien.
    • 1991 Engineering Degree, Université de Technologie de Compiègne.

     

    Piton de la Fournaise and Piton des Neiges volcanoes (Réunion island, France) Nyiragongo and Nyamuragira volcanoes (Democratic Republic of the Congo) Kilauea volcano (Hawaii, U.S.A.) Soufriere Hills (Montserrat, West Indies)

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  • Publications :

    • Barnoud A., Cayol V., Lelièvre P.G., Portal A., Labazuy P., Boivin P., Gailler L. (2021). Robust Bayesian Joint Inversion of Gravimetric and Muographic Data for the Density Imaging of the Puy de Dôme Volcano (France). Frontiers in Earth Science vol.8, p.575842, - lien DOI.

    • Smittarello D., Cayol V., Pinel V., Peltier A., Froger J.L., Ferrazzini V. (2019). Magma propagation at Piton de la Fournaise from joint inversion of InSAR and GNSS. Journal of Geophysical Research - Solid Earth - lien DOI.
    • Maccaferri F., Smittarello D., Pinel V., Cayol V. (2019). On the Propagation Path of Magma Filled Dikes and Hydrofractures: The Competition Between External Stress, Internal Pressure, and Crack Length. Geochemistry, Geophysics, Geosystems vol.20, p.2064-2081, - lien DOI.
    • Barnoud A., Cayol V., Niess V., Cârloganu C., Lelièvre P., Labazuy P., Le Menedeu E. (2019). Bayesian joint muographic and gravimetric inversion applied to volcanoes. Geophysical Journal International vol.218, p.2179-2194, - lien DOI.
    • Lelièvre P.G., Barnoud A., Niess V., Cârloganu C., Cayol V., Farquharson C.G. (2019). Joint inversion methods with relative density offset correction for muon tomography and gravity data, with application to volcano imaging. Geophysical Journal International vol.218, p.1685-1701, - lien DOI.
    • Smittarello D., Cayol V., Pinel V., Froger J.L., Peltier A., Dumont Q. (2019). Combining InSAR and GNSS to Track Magma Transport at Basaltic Volcanoes. Remote Sensing vol.11, p.2236, - lien DOI.

    • Froger J.L., Cayol V., Famin V. (2016). The March-April 2007 eruption of Piton de la Fournaise as recorded by interferometric data. In: P. Bachèlery, L., J.F., Di Muro, A., Michon, L. (Editors) (ed.) Active Volcanoes of the Southwest Indian Ocean: Piton de la Fournaise and Karthala. Active Volc.
    • Bodart O., Cayol V., Court S., Koko J. (2016). XFEM-Based fictious domain method for linear elasticity model with crack. SIAM Journal on Scientific Computing (SISC) vol.38, p.B219-246, 2, - lien DOI.
    • Bodart O., Cayol V., Court S., Koko J. (2016). Fictituous domain method for fracture models in elasticity, Progress in industrial mathematics at ECMI 2014. vol.22, Editors G. Russo, V. Capasso, G. Nicosia, V. Romano, ISBN 978-3-319-23412-0, Springer International Publishing (ed.).
    • Tridon M., Cayol V., Froger J.L., Augier A., Bachèlery P. (2016). Inversion of coeval shear and normal stress of Piton de la Fournaise flank displacement. Journal of Geophysical Research - Solid Earth vol.121, - lien DOI.

    • Carey R., Cayol V., Poland M., Weis D. (2015). Hawaiian Volcanoes, From Source to Surface. vol.208, p.600, Hawaiian Volcanoes, From Source to Surface, Geophysical Monograph Series, Wiley (ed.), SBN: 978-1-118-87204-8, - lien DOI.
    • Froger J.L., Famin V., Cayol V., Augier A., Michon L., Lénat J.F. (2015). Time-dependent displacements during and after the April 2007 eruption of Piton de la Fournaise, revealed by interferometric data. Journal of Volcanology and Geothermal Research vol.296, p.55-68, - lien DOI.
    • Wauthier C., Cayol V., Smets B., d’Oreye N., Kervyn F. (2015). Magma pathways and their interactions inferred from InSAR and stress modeling at Nyamulagira Volcano, D.R. Congo. Remote Sensing vol.7, p.15179-15202, - lien DOI.
    • Carey R., Cayol V., Poland M., Weis D. (2015). Hawaiian Volcanoes, From Source to Surface, Geophysical Monograph Series. vol.208, p.600 p., ISBN: 978-1-118-87204-8, Wiley (ed.), - lien DOI.

    • Cayol V., Catry T., Michon L., Chaput M., Famin V., Bodart O., Froger J.L., Romagnoli C. (2014). Sheared sheet intrusions as mechanism for lateral flank displacement on basaltic volcanoes: Application to Réunion Island volcanoes. Journal of Geophysical Research Letters 119. - lien DOI.
    • Remy D., Froger J.L., Perfettini H., Bonvalot S., Gabalda G., Albino F., Cayol V., Legrand D., De Saint Blanquat M. (2014). Persistent uplift of the Lazufre volcanic complex (Central Andes): New insights from PCAIM inversion of InSAR time series and GPS data. Geochemistry Geophysics Geosystems 15. - lien DOI.

    • Wauthier C., Cayol V., Poland M., Kervyn F., d’Oreye N., Hooper A., Samsonov S., Tiampo K., Smets B. (2013). Nyamulagira’s Magma Plumbing System Inferred from 15 years of InSAR, Remote Sensing of Volcanoes and Volcanic Processes : Integrating .Oservations and Modelling, p.. - lien DOI.

    • Wauthier C., Cayol V., Kervyn F., d’Oreye N. (2012). Magma sources involved in the 2002 Nyiragongo eruption, as inferred from an InSAR analysis. Journal of Geophysical Research 117, B05411. - lien DOI.
    • Froger J.L., Souriot T., Villeneuve N., Rabaute T., Durand P., Cayol V., Di Muro A., Staudacher T., Fruneau B. (2012). Apport des données TerraSAR-X pour le suivi de l’activité du Piton de la Fournaise. Revue Française de Photogrammétrie et de Télédétection 197, 86-101. .

    • Fukushima Y., Cayol V., Durand P., Massonnet D. (2010). Evolution of magma conduits during the 1998–2000 eruptions of Piton de la Fournaise volcano, Réunion Island Journal of Geophysical Research 115, B10204, 21 PP., 2010. - lien DOI.

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