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Montagne Pelée volcano (Martinique, in the French Lesser Antilles) hydrogeological system revealed by high-resolution helicopter-borne electromagnetic imagery
Abstract Montagne Pelée, on the French island of Martinique, eastern Caribbean Sea, has been one of the deadliest volcanoes in the world, with 30,000 victims following the 1902 eruption. Thousands of people still live nearby, and this volcano is a strategic “water tank” for Martinique Island, providing 40% of the island’s water supply. This research aimed to better understand its hydrogeological functioning and the relationship with its complex volcanological evolution, taking advantage of a high-resolution helicopter-borne geophysical survey correlated with hydrogeological data from the boreholes and springs databases. Electromagnetic data, correlated with hydrogeological data, allowed for the identification of unsaturated zones, aquifers, and seawater intrusions, as well as the main geological units. In addition, data synthesised from pumping tests revealed that the older the unconsolidated pyroclastic deposits, the lower their hydraulic conductivity. The structural asymmetry between the northeastern and southwestern volcano flanks impacts its hydrogeological functioning. Consequently, the Montagne Pelée hydrogeological conceptual model is marked by several distinguishable aquifers. The upper perched aquifer within recent lava domes is directly involved in, and impacted by, phreatic eruptions, and it supports low flowrate springs. The remaining effective rainfall infiltrates to depth and recharges the hydrothermal system through vertical fractures. The other aquifers are categorized into three groups: northeastern, southeastern and southwestern flank aquifers. This research is a new step toward a better understanding of the Lesser Antilles volcanoes and more broadly of the central and proximal parts of the andesitic active volcanoes.
Résumé La Montagne Pelée, volcan emblématique de la Martinique (Antilles Françaises), fut un des volcans les plus meurtriers du monde, avec 30 000 victimes suite à l’éruption de 1902. Des milliers d’habitants vivent toujours aux alentours, et ce volcan est un « château d’eau » stratégique pour la Martinique, répondant à plus de 40% de la demande en eau potable. Nos recherches ont visé à mieux comprendre son fonctionnement hydrogéologique et les relations avec son évolution volcanologique complexe, grâce à une campagne géophysique héliportée haute-résolution corrélée avec des données hydrogéologiques issues de bases de données de forages et de sources. La corrélation des données électromagnétiques avec les données hydrogéologiques a permis d’identifier les zones non saturées, les aquifères, les intrusions salines ainsi que les principales unités géologiques. De plus, une synthèse des données de pompages d’essais a permis de mettre en évidence que plus les dépôts pyroclastiques non consolidés sont âgés, plus leur conductivité hydraulique est faible. L’asymétrique structurale entre le flanc nord-est et sud-ouest du volcan impacte son fonctionnement hydrogéologique. Ainsi, le modèle hydrogéologique conceptuel de la Montagne Pelée est marqué par la présence de plusieurs aquifères bien distincts. L’aquifère supérieur est situé au sein des dômes de lave récent et est directement impliqué et impacté par les éruptions phréatiques ; il est par ailleurs marqué par des sources à faibles débits sur son pourtour. Le reste de la recharge s’infiltre en profondeur pour recharger le système hydrothermal via des fractures verticales. Les autres aquifères sont répartis en trois groupes : les aquifères du flanc nord-est, du flanc sud-est et du flanc sud-ouest. Nos résultats permettent également de mieux comprendre le fonctionnement hydrogéologique des volcans des petites Antilles, et plus largement de la partie centrale et proximale des volcans andésitiques.
Resumen Montagne Pelée, en la isla francesa de Martinica, al este del mar Caribe, ha sido uno de los volcanes más mortíferos del mundo, con 30,000 víctimas tras la erupción de 1902. Miles de personas siguen viviendo en sus proximidades, y este volcán es un “depósito de agua” estratégico para la isla de Martinica, ya que proporciona el 40% del suministro de agua de la isla. Esta investigación pretendía comprender mejor su funcionamiento hidrogeológico y la relación con su compleja evolución vulcanológica, aprovechando un estudio geofísico de alta resolución desde helicóptero correlacionado con los datos hidrogeológicos de las bases de datos de sondeos y manantiales. Los datos electromagnéticos, correlacionados con los hidrogeológicos, permitieron identificar las zonas no saturadas, los acuíferos y las intrusiones de agua marina, así como las principales unidades geológicas. Además, los datos sintetizados a partir de ensayos de bombeo revelaron que cuanto más antiguos son los depósitos piroclásticos no consolidados, menor es su conductividad hidráulica. La asimetría estructural entre los flancos noreste y suroeste del volcán repercute en su funcionamiento hidrogeológico. En consecuencia, el modelo conceptual hidrogeológico de Montagne Pelée está marcado por varios acuíferos diferenciables. El acuífero superior, situado en las cúpulas de lava recientes, participa directamente en las erupciones freáticas y se ve afectado por ellas. El resto de la precipitación efectiva se infiltra en profundidad y recarga el sistema hidrotermal a través de fracturas verticales. Los demás acuíferos se clasifican en tres grupos: acuíferos de los flancos noreste, sureste y suroeste. Esta investigación constituye un nuevo paso hacia una mejor comprensión de los volcanes de las Antillas Menores y, más ampliamente, de las partes centrales y proximales de los volcanes andesíticos activos.
摘要 MontagnePelée火山位于加勒比海东部的Martinique岛上，曾是世界上最致命的火山之一，在1902年爆发后造成3万人死亡。现在仍有数千人居住在火山附近，而这座火山是Martinique岛的战略性“水库”，提供该岛40%的用水。本研究旨在通过利用高分辨率直升机搭载的地球物理勘测数据，结合钻孔和泉水数据库中的水文地质数据，更好地了解其水文地质特性及与其复杂的火山演化之间的关系。通过与水文地质数据的相关性，电磁数据可以识别非饱和带、含水层和海水入侵以及主要地质单元。此外，抽水试验综合数据表明，未固结的火山碎屑沉积物年代越老，其水力传导率越低。东北侧和西南侧火山山脊之间的结构不对称影响了其水文地质功能。因此，Montagne Pelée火山水文地质概念模型具有几个不同的含水层。最近熔岩穹丘内的上伏滞留水含水层直接参与并受到潜水层喷发的影响，并形成低流量泉水。剩余的有效降雨渗透到深处，并通过垂直断裂重新补给水热系统。其他含水层分为三组：东北侧、东南侧和西南侧。本研究是了解Lesser Antilles火山和更广泛的安山岩类活火山中央和邻近部分的水文地质特性的新方法。
RESUMO Montagne Pelée, na ilha francesa de Martinica, leste do Mar do Caribe, tem sido um dos vulcões mais mortíferos do mundo, com 30,000 vítimas após a erupção de 1902. Milhares de pessoas ainda vivem nas proximidades, e este vulcão é um “tanque de água” estratégico para a Ilha da Martinica, fornecendo 40% do abastecimento de água da ilha. Esta investigação teve como objetivo compreender melhor o seu funcionamento hidrogeológico e a relação com a sua complexa evolução vulcanológica, tirando partido de um levantamento geofísico de alta resolução por helicóptero correlacionado com dados hidrogeológicos das bases de dados de furos e nascentes. Os dados electromagnéticos, correlacionados com os dados hidrogeológicos, permitiram identificar zonas não saturadas, aquíferos e intrusões marinhas, bem como as principais unidades geológicas. Além disso, dados sintetizados a partir de testes de bombeamento revelaram que quanto mais antigos os depósitos piroclásticos não consolidados, menor sua condutividade hidráulica. A assimetria estrutural entre os flancos nordeste e sudoeste do vulcão afeta seu funcionamento hidrogeológico. Consequentemente, o modelo conceitual hidrogeológico de Montagne Pelée é marcado por vários aquíferos distinguíveis. O aquífero empoleirado superior dentro de cúpulas de lava recentes está diretamente envolvido em – e impactado por – erupções freáticas, e suporta nascentes de baixa vazão. A precipitação efetiva remanescente infiltra-se em profundidade e recarrega o sistema hidrotermal através de fraturas verticais. Os outros aquíferos são categorizados em três grupos: aquíferos de flanco nordeste, sudeste e sudoeste. Esta pesquisa é um novo passo para uma melhor compreensão dos vulcões das Pequenas Antilhas e mais amplamente das partes centrais e proximais dos vulcões andesíticos ativos.