1 Introduction

The estimation of the heat flux by soil-temperature measurements is one of the methods used for the monitoring of active volcanoes [1,4,6]. Aubert [1] demonstrated that instantaneous soil measurements allow us to estimate heat fluxes from 10 to $300\mathrm{W}{\mathrm{m}}^{-2}$. The lowest limit corresponds to the precision of external variations of the flux. The first objective of this study was to calculate heat fluxes lower than $10\mathrm{W}{\mathrm{m}}^{-2}$ by using continuous measurements.

2 Description of the thermal measurements station

The Puy de Monténard (Fig. 1) is a scoria cone located in the south part of the Chaı̂ne des Puys (France). It surmounts a maar that has partially maintained simultaneous activity with it [3]. This volcano had also built many lava flows. Its age is not known but it can be estimated as being 15 000 to 30 000 years. In the vicinity of the station located at the summit of the cone the soil is vegetationless, with a slope equal to 24° in the direction N225°. The scoria granulometry is homogeneous with a mean diameter of 2 mm. The hydrous density (water percent 13%) is equal to 900 $\mathrm{kg}{\mathrm{m}}^{-3}$. The thermal diffusivity α is calculated by the decrease of the thermal diurnal variation between 0.1 and 0.3 m ($\alpha =2.9\times {10}^{-7}{\mathrm{m}}^2{\mathrm{s}}^{-1}$). The thermal conductivity λ is calculated with a given value of the thermal capacity C equal to 920 $\mathrm{J}{\mathrm{kg}}^{-1}{\mathrm{K}}^{-1}$. Then λ=0.24 W m⁻¹ K⁻¹. This value is at the lower limit of the classical values that are between 0.3 and 0.6 W m⁻¹ K⁻¹ [4].

3 Normal climatic values at Monténard

4 Results of measurements

5 Interpretation of the thermal anomaly

6 Conclusion

L'estimation du flux géothermique par la mesure des températures du sol sur un profil vertical est une des méthodes utilisées pour surveiller l'évolution des volcans actifs [4,6]. Nous avons montré [1] que des mesures instantanées à des profondeurs inférieures à 0,8 m permettaient d'estimer le flux Φ dans une étendue de valeurs allant environ de 10 à 300 $\mathrm{W}{\mathrm{m}}^{-2}$ pour une valeur de la conductibilité thermique égale à 0,8 W m⁻¹ °C⁻¹. La limite inférieure correspond à la précision donnée par un modèle prévisionnel des variations d'origine externe de Φ (variation diurne notamment). La limite supérieure est déterminée par le fait qu'au-delà de cette valeur, la condensation du débit de vapeur n'est plus totale dans le sol, mais se termine dans l'atmosphère ; le débit doit alors être mesuré directement avec un condenseur.

L'objet initial de cette étude était de calculer les variations d'origine externe par des mesures continues sur au moins une année, pour abaisser la limite inférieure du flux détectable et améliorer la sensibilité de la méthode pour la mesure des flux faibles. Nous avons effectué ces mesures sur un volcan supposé éteint, en choisissant un site sans aucun sol ni végétation, comme c'est le cas sur un volcan actif.

Le Puy de Monténard (Fig. 1) est un cône de scories faisant partie des volcans sud de la chaı̂ne des Puys (France). Il culmine à l'altitude de 1173 m, avec une hauteur de 125 m et un diamètre d'environ 870 m. Il est installé dans un maar initial et la persistance d'une activité phréatique se manifeste au sein des produits stromboliens par la rythmicité des dépôts et l'abondance des bombes en chou-fleur [3]. Une série de coulées s'étale à son pied, dont les plus longues s'étirent jusqu'à 3 km. Il s'agit donc d'un appareil à alimentation magmatique relativement importante qui, à la fin de sa construction, recouvrait un réservoir d'eau sous pression dont le volume pouvait atteindre 0,1 km³. Son âge n'est pas connu, mais on peut l'estimer entre 15 000 et 30 000 ans d'après la morphologie du cône et des coulées. La station de mesure est située au sommet du cône, dans une zone entièrement dépourvue de végétation.

Les scories volcaniques ont une granulométrie homogène de la surface à 0,7 m de profondeur, avec un diamètre moyen de l'ordre de 2 mm. La teneur en eau est de l'ordre de 13 %, la porosité efficace de l'ordre de 65 %, la densité humide ρ du terrain en place est égale à 900 $\mathrm{kg}{\mathrm{m}}^{-3}$. La diffusivité thermique α est calculée par l'amortissement entre 10 et 30 cm de l'onde diurne moyenne annuelle en 2002. En mode sinusoı̈dal, cette valeur est égale à 2,9×10⁻⁷ m² s⁻¹. La capacité thermique C étant estimée à 920 J kg⁻¹ K⁻¹, la conductivité thermique λ calculée à partir de ces valeurs serait égale à αCρ=0,24 W m⁻¹ K⁻¹, l'erreur relative étant de l'ordre de 20 %. Les valeurs de α et λ sont à la limite inférieure des valeurs le plus souvent citées pour les scories, la valeur moyenne étant de l'ordre de 0,5 W m⁻¹ K⁻¹ [4]. La faible valeur trouvée peut s'expliquer par le taux d'humidité très faible, par la valeur élevée de la porosité efficace et par l'absence de fraction argileuse. S'agissant de mettre en évidence une anomalie thermique, nous retiendrons cette valeur faible pour obtenir la valeur minimum du flux à Monténard.

Quatre capteurs de température T sont installés aux profondeurs 10, 30, 50, 70 cm (ces sondes sont de type thermistance, résolution 0,1 °C, précision 0,2 °C). La température T est mesurée toutes les heures aux quatre profondeurs depuis le 23 octobre 2001 et les données sont enregistrées dans une mémoire locale.

3.1 Température de surface T_n

3.2 Gradient δT/δZ normal

À partir de la série de mesures horaires aux quatre profondeurs sur 16 mois (deux mois avant, deux mois après 2002), on calcule les moyennes journalières, mensuelles et annuelles. Pour ces dernières, il s'agit de la moyenne glissante sur 12 mois, soit cinq valeurs sur les 16 mois disponibles.

Le Tableau 1 rassemble l'ensemble des valeurs moyennes mensuelles calculées pour les 16 mois d'enregistrement. Les moyennes sur quatre mois encadrant respectivement le début et la fin de 2002 montrent la variation notable du climat entre ces deux périodes. Sur ce tableau sont indiqués les écarts moyens ΔT_50,10 de température entre 50 et 10 cm de profondeur, qui seront comparés à ceux calculés à Aulnat aux mêmes profondeurs. Ces valeurs montrent une grande variation annuelle allant de +4,5 à −2,5 °C, variations égales, à 10 %, près aux variations calculées pour une onde thermique externe, supposée sinusoı̈dale, pénétrant dans un sol identique à celui de Monténard et ayant les mêmes caractéristiques climatiques que celles de la station d'Orcival. La Fig. 2 montre ces mêmes variations, ainsi que les différences de ΔT_50,10 entre Monténard et Aulnat. Ces différences seraient en théorie proches de zéro, si les deux stations étaient situées dans le même climat et dans le même sol.

Le Tableau 2 rassemble l'ensemble des valeurs moyennes annuelles sur les cinq périodes disponibles. Les cinq profils T(Z) sont quasi linéaires, de 10 à 50 cm de profondeur. La pente δT/δZ de la droite de régression (Fig. 3) est calculée à partir des données T₁₀, T₃₀ et T₅₀, où elle est définie avec un coefficient de corrélation au moins égal à 0,99. La température de surface T₀ calculée à partir de la droite de régression est supérieure à la température normale T_n calculée plus haut, l'écart moyen étant égal à 1,7 °C.

Une hausse de la température externe entraı̂ne normalement une diminution de δT/δZ, ce que confirme la série des cinq valeurs moyennes annuelles, où la plus faible valeur δT/δZ correspond aux valeurs les plus élevées T_n et T₀ en 2002 (Fig. 3). Quelle serait la valeur de δT/δZ pour des années encore plus chaudes ? La chronique des données Météo France à Aulnat indique que l'année 2002 se situe en fait au troisième rang des années les plus chaudes depuis 1923 (12,5 °C en 2002, 12,7 °C en 1994 et 12,6 °C en 1997), et est partout supérieure de 0,9 °C environ aux températures moyennes depuis 30 ans. En 1994, δT/δZ serait égal à 1,6 °C m⁻¹ si on admet une corrélation linéaire entre T_n et δT/δZ pour de faibles écarts de T_n.

Malgré l'influence de la variation climatique sur les moyennes annuelles, cette série de mesures met en évidence une valeur élevée de δT/δZ, en partie non dépendante de l'effet climatique. La durée d'enregistrement est trop courte pour que puisse être calculée avec précision la valeur supposée constante du flux d'origine interne, dont on ne connaı̂t pour le moment que la valeur minimum indiquée plus haut.

En considérant la valeur minimum 1,6 °C m⁻¹ de δT/δZ depuis 1923, et la valeur λ calculée plus haut (0,24 W m⁻¹ K⁻¹), le flux géothermique à Monténard serait égal à environ 0,4 $\mathrm{W}{\mathrm{m}}^{-2}$, avec une erreur relative estimée de l'ordre de 20 %. Le flux à Monténard serait cinq fois plus élevé que le flux normal dans cette région, estimé à 0,08 $\mathrm{W}{\mathrm{m}}^{-2}$.

La station Monténard se caractérise par un sol dénudé, poreux et de très faible valeur de λ. Ces facteurs accentuent la variation saisonnière des températures du sol, mais ne peuvent pas en modifier le bilan annuel. La position en relief tendrait à diminuer δT/δZ. La cause de l'anomalie thermique semble être d'origine interne. Dans le contexte régional, cette anomalie pourrait s'expliquer :

• − soit par un flux hydrothermal dû à la remontée, le long d'une faille, d'une circulation d'eau s'étant réchauffée en profondeur (aucune faille importante n'est connue dans ce secteur, mais on ne peut pas exclure cette hypothèse) ;
• − soit par un flux résiduel apporté par l'alimentation magmatique ayant créé il y a 30 000 ans ou moins, le maar, le cône de scories et le système de coulées.

À cette époque, une colonne magmatique sans doute importante s'est refroidie lentement, entretenant en particulier une réserve d'eau chaude et de vapeur sous une pression élevée à l'intérieur du maar, sous la couverture isolante formée par une centaine de mètres de scories. Cette colonne a pu s'extraire d'un réservoir magmatique secondaire, dont la profondeur hypothétique est souvent estimée à une dizaine de kilomètres en ce qui concerne les volcans sud de la chaı̂ne des Puys.

Comment évolue la température en profondeur ? Le modèle le plus simple est celui d'un flux de chaleur à la fois conductif et convectif. En supposant que trois conditions soient satisfaites – régime stationnaire, distribution de T fonction de Z uniquement, et condensation de la vapeur totale sous la surface du sol – l'équation de conduction de la chaleur avec terme convectif est la suivante :

La production d'un flux de 0,4 $\mathrm{W}{\mathrm{m}}^{-2}$ peut être le fait de la condensation totale d'un débit de vapeur égal à 1,2×10⁻⁷ kg m⁻² s⁻¹. La chaleur créant cette production de vapeur proviendrait de la cristallisation et du refroidissement d'un magma, soit 3×10⁹ J m⁻³ [2]. On ne connaı̂t pas encore la surface sur laquelle le flux a la valeur anormale calculée plus haut et il est possible que cette surface soit limitée à la zone dénudée où la porosité demeure élevée jusqu'à la surface du sol. Le raisonnement suivant porte sur une colonne de section 1 m², allant de la station au toit du réservoir magmatique. Sachant qu'un flux annuel de 0,4 $\mathrm{W}{\mathrm{m}}^{-2}$ correspond à une énergie égale à 12,6×10⁶ J, la chaleur équivalente est celle créée par une colonne de hauteur environ 4 mm se refroidissant pendant un an. Dans l'hypothèse évidemment fausse d'un flux constant pendant 30 000 ans, la hauteur de la colonne magmatique refroidie serait de 120 m, dimension possible pour un réservoir magmatique. Si l'hypothèse d'une chaleur résiduelle d'origine magmatique expliquant l'anomalie thermique à Monténard n'a rien d'irréaliste, tout est trop indéterminé pour qu'elle soit précisée : le flux initial était évidemment plus élevé qu'aujourd'hui, on ne connaı̂t rien de la position du volume du réservoir magmatique, ni de la quantité de chaleur disponible dans le maar initial sous le cône de scories. Il est certain que la présence de ce maar a dû favoriser la convection hydrothermale que l'on suppose être à l'origine de cette anomalie thermique.

La mesure des températures superficielles du sol à plusieurs profondeurs pendant 16 mois a permis de mettre en évidence un flux anormal de l'ordre de 0,4 $\mathrm{W}{\mathrm{m}}^{-2}$ avec une précision de l'ordre de 0,1 $\mathrm{W}{\mathrm{m}}^{-2}$. Cela montre l'intérêt de la mesure en continu de la convection hydrothermale sur les volcans actifs comme méthode de surveillance, ou sur des volcans dormants, comme ceux de la chaı̂ne des Puys.

Cette découverte appelle un certain nombre de travaux complémentaires, notamment pour préciser son étendue, dater la création du système volcanique, prolonger la série de données afin de mieux connaı̂tre l'influence des variations climatiques, enfin étudier d'autres sites comparables. Ce résultat ne présume en rien d'un réveil de l'activité volcanique dans cette région, puisque le flux mesuré peut être dû uniquement à la chaleur résiduelle du magma ayant permis la création du maar et du cône de scories.