1 Anticiper le risque volcanique : capacité érosive et menace

Anticiper le risque volcanique : capacité érosive et menace associée aux nuées
ardentes
Résumé de la thèse de Doctorat intitulée « Capacité érosive des écoulements pyroclastiques : impact sur les
budgets éruptifs et implications pour l'aléa », soutenue le 27 février 2015
Par Julien BERNARD
Sous la direction de Jean-Luc LE PENNEC et Karim KELFOUN
Cette thèse de Doctorat a été réalisée au Laboratoire Magmas et Volcans (LMV) de
l’Université Blaise Pascal (UBP) de Clermont-Ferrand en partenariat avec l’Institut Géophysique de
l’Ecole Polytechnique Nationale équatorienne (IG-EPN) dans le cadre d’un programme de
collaboration Nord-Sud de l’Institut de Recherche pour le Développement (IRD), et financée par une
bourse Ministérielle (MESR).
Contexte et buts de l’étude : les spécificités du risque volcanique
Les catastrophes naturelles font régulièrement la Une des médias, et nous rappellent que la
forte croissance démographique que connaît L’Humanité se traduit par une exposition toujours plus
importante des populations et des biens. L’analyse, la compréhension et l’évaluation des risques
naturels représente ainsi un enjeu essentiel du XXIème siècle, notamment reconnu comme tel par
l’ONU. Bien que plusieurs définitions existent, le concept global de risque naturel peut être décrit de
manière synthétique par l’équation suivante, composée de trois facteurs :
Risque Naturel = (Enjeu et Vulnérabilité) × Aléa
L’Enjeu représente les personnes, les biens ou les activités menacées par les phénomènes
naturels dangereux (Fig. 1). Il s’agit donc d’une zone géographique de taille et de nature variable liée
à l’occupation humaine, mais aussi à l’existence de sites culturels ou naturels exceptionnels. La
Vulnérabilité est une notion complexe à définir, qui décrit l’aptitude d’un enjeu à affronter ou à se
remettre d’une catastrophe naturelle (résistance et résilience du système). Cette notion de
vulnérabilité est ainsi spécifique à un lieu, une population, une culture ou un pays donné et évolue
de plus dans le temps (en fonction par exemple des aménagements de protection réalisés). L’Aléa,
qui est au cœur de ces travaux de Doctorat, concerne quant à lui le phénomène naturel proprement
dit (Fig. 1) et décrit son intensité (type, ampleur, mode de mise en place), sa localisation (source et
zone impactée) et sa fréquence (temps de récurrence).
Fig. 1 : (A) Illustration des enjeux/vulnérabilités d’une zone menacée, (B) de certains aléas volcaniques (ici les
retombées de cendres et les écoulements pyroclastiques (ou nuées ardentes) et (C) du concept de risque.
Les éruptions volcaniques sont des évènements relativement rares comparés (par exemple)
aux phénomènes météorologiques extrêmes, mais sont en revanche capables de provoquer des
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dégâts considérables et durables sur des zones très étendues. Citons par exemple le cas de
l’Eyjafjallajökull, ce volcan islandais qui a paralysé le ciel européen en 2010, ou encore la Montagne
Pelée (Martinique) dont les nuées ardentes ont rasé la ville de Saint-Pierre en 1902, causant près de
30 000 morts. Les volcans peuvent ainsi produire un nombre important d’aléas différents, possédant
des impacts variables. Ces aléas sont : 1) les retombées de cendre (ex : Eyjafjallajökull, 2010, Islande ;
ou Monts Dore en Auvergne), 2) les écoulements pyroclastiques (anciennement appelées « nuées
ardentes » ; ex : Montagne Pelée, 1902, Martinique ; Puy de Dôme), 3) les coulées de boues (ou
« lahars » ; ex : Nevado del Ruiz, 1985, Colombie ; Monts Dore et Cantal), 4) les avalanches de débris
(ex : Mont Saint-Helens, 1980, USA ; Cantal), 5) les coulées de lave (ex : Piton de la Fournaise, 2006,
La Réunion ; La Vache et Lassolas), 6) les projections balistiques (bombes et blocs ; ex : Sakurajima,
2016, Japon ; Puy de Pariou), 7) les gaz (ex : Nyos, 1986, Cameroun) et enfin 8) les tsunamis (ou razde-marée) d’origine volcanique (ex : Krakatau, 1883, Indonésie). Les volcans d’Auvergne cités dans
cette liste le sont à titre d’exemples locaux de dépôts associés aux différents phénomènes
volcaniques mentionnés, qui ne représentent bien évidemment pas des aléas actuels.
Un volet important de la volcanologie moderne est donc d’étudier les différents aléas
volcaniques, dans le but de mieux les connaître et –idéalement– pouvoir estimer l’impact de futures
éruptions. Il n’existe en effet pas, à l’heure actuelle, de parade face à la plupart des risques
volcaniques, et bien que des tentatives aient été faites en de rares occasions (pour détourner des
coulées de lave, ex : Barberi et al., 1993 ; ou contenir des lahars, ex : Lavigne et al., 2000), l’Homme
se trouve généralement démuni face à cette menace. Seule l’évacuation préventive des populations
se révèle ainsi être efficace en cas de crise majeure, notamment en cas d’éruption explosive. Ces
évacuations, décidées par les autorités compétentes, reposent sur des cartes d’aléas (ou cartes de
menaces) établies auparavant. Réalisées par les volcanologues, ces dernières impliquent d’avoir une
connaissance très pointue des différents phénomènes volcaniques, et de pouvoir les modéliser, ce
qui est le but de ces travaux de Recherche. La gestion du risque volcanique dans sa globalité relève
donc d’un processus de concertation entre les scientifiques, les décideurs et les populations, au sein
duquel les volcanologues jouent un rôle central dans la définition de l’aléa.
Travaux de recherche : caractérisation de la capacité érosive des nuées ardentes
Les écoulements pyroclastiques (ou « nuées ardentes ») sont des mélanges brulants de gaz et
de particules dévalant les flancs des volcans à grande vitesse au cours d’éruptions explosives, qui
représentent l’aléa volcanique le plus meurtrier qui soit (Auker et al., 2013). Ces phénomènes sont
communément associés au volcanisme explosif de subduction et menacent des millions de
personnes à travers le monde, notamment à cause de leur exceptionnelle mobilité. Certaines nuées
ardentes sont en effet capables de parcourir plusieurs dizaines de kilomètres, sur des pentes faibles
ou nulles. Leur pouvoir de destruction extrême empêche toute action de mitigation, et les cartes de
menaces sont le seul outil à disposition des autorités pour anticiper la menace et limiter les
catastrophes. La réalisation de ces cartes est basée sur deux étapes essentielles : 1) la
compréhension et 2) la modélisation du phénomène étudié. Or, en raison de leur grande complexité
et de leur dangerosité, les nuées ardentes restent des phénomènes encore largement méconnus à
l’heure actuelle. Malgré d’importants progrès réalisés ces dernières années (Roche et al., 2013), leur
mobilité reste encore peu expliquée : une grande partie du risque associé aux nuées ardentes réside
dans la difficulté d'estimer précisément leurs distances de parcours.
Ces travaux de thèse se proposent donc d’étudier en détail les écoulements pyroclastiques, à
travers une double approche « terrain » (couplé à des analyses en laboratoire) et « modélisation
numérique », de manière à améliorer notre compréhension de l’aléa d’une part, et affiner les cartes
de menaces d’autre part (en se focalisant notamment sur l’estimation des distances de parcours).
Des études récentes suggèrent en effet que les nuées ardentes sont érosives, c’est-à-dire qu’elles
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sont capables de creuser dans leur substratum au cours de leur mise en place et d’incorporer de la
matière de manière à augmenter leur masse. Ces matériaux érodés seront qualifiés par la suite de «
non-juvéniles » (car plus vieux que l’éruption et « recyclés » par les écoulements) par opposition aux
produits « juvéniles » qui représentent le magma émis lors de de l’éruption. Cette capacité érosive
des nuées ardentes, ainsi que son implication pour les distances de parcours (et donc la menace
associée) n’étaient pas connues jusqu’à présent.
Fig. 2 : (A) Contexte géodynamique en Équateur. Les principaux centres éruptifs de la région sont indiqués par
des triangles. La zone grisée sur le continent indique les reliefs andins supérieurs à 2000 m d’altitude. Figure
modifiée d’après Gutscher et al., 1999. (B) Principaux édifices volcaniques équatoriens. Le code couleur est
er
établi en fonction de la date de la dernière éruption connue. En rouge, les volcans en éruption au 1 mars
2016. Figure modifiée d’après Hall et al. (2008) et Bernard et Andrade (2011).
La cible principale de cette étude est le volcan Tungurahua, situé dans les Andes
équatoriennes (Le Pennec et al., 2006 ; Fig. 2). Avec ses 80 stratovolcans Quaternaires, l’Équateur
constitue un site incontournable pour l’étude des risques volcaniques : quatre éruptions sont
actuellement en cours (Sangay, Tungurahua, Cotopaxi et Reventador, Fig. 2) et de nombreuses
populations sont directement menacées. C’est dans ce contexte que le Tungurahua a connu une
éruption paroxysmale en Août 2006, qui a produit des écoulements pyroclastiques scoriacés de
volume modeste (≈ 30 millions de mètres cubes) mais dévastateurs sur tout le flanc Ouest de l’édifice
(Fig. 3).
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Les dépôts rocheux laissés par les nuées ardentes du Tungurahua après leur sédimentation
présentent l’avantage d’être constitués de fragments dont la nature (juvénile ou non-juvénile) est
facilement identifiable (Fig. 4), ce qui est exceptionnel pour ce type de dépôts. Cette particularité a
permis de déterminer précisément l’origine des fragments présents dans les dépôts et de quantifier
avec une haute résolution la proportion de matériel non-juvénile incorporé par les écoulements au
cours de leur mise en place. Une méthodologie originale et novatrice, basée sur l’échantillonnage et
l’analyse d’images haute résolution de ces dépôts, a été développée dans le cadre de ce Doctorat.
Des images acquises orthogonalement aux affleurements ont été segmentées sur ordinateur à l’aide
de Photoshop© (≈ 60 000 fragments isolés) de manière à déterminer la taille apparente et la nature
des différents clastes présents. Des techniques de déconvolution stéréologiques (Shea et al., 2010)
ont été utilisées pour convertir ces données 2D en 3D de manière à reconstruire la distribution
granulométrique et la composition en volume des produits. Des mesures de densité effectuées sur
les différentes familles de clastes identifiées (Fig. 4A) permettent ensuite d’obtenir les proportions
en masse des différents constituants lithologiques des dépôts, avec une incertitude inférieure à 5%.
Une stratégie d’échantillonnage complète des dépôts, depuis le point où la sédimentation des
écoulements semble débuter (à 3500 m d’altitude) jusqu’à la base de l’édifice (à 1800 m d’altitude,
voir Fig. 4B), permet de mettre en lumière des variations latérales de faciès (c’est-à-dire l’évolution
de la granulométrie, de la composition lithologique et d’autres structures des dépôts en fonction de
la distance au cratère). Ces données sont d’une grande utilité pour identifier la source des produits
érodés et estimer l’intensité de l’érosion associée à la mise en place des écoulements pyroclastiques.
Fig. 3 : (A) Photographie du paroxysme de 2006 du Tungurahua vu depuis le Nord-Ouest (panache éruptif et
écoulements pyroclastiques). Image A. Vallée – IRD. (B) Carte des dépôts d’écoulements et de déferlantes
pyroclastiques mis en place pendant l’éruption et affleurements étudiés dans le cadre de ce Doctorat.
Nos résultats montrent que près de la moitié (40-50%) de la masse finale des dépôts
d’écoulements pyroclastiques de 2006 du Tungurahua est composée de matériel non-juvénile,
provenant directement des flancs du volcan (Fig. 4 ; Bernard et al., 2014). Ces données soulignent le
pouvoir érosif extrême de ces nuées ardentes, qui sont capables de doubler leur masse pendant leur
mise en place. Des recherches dans la littérature montrent que cette capacité érosive importante
semble être une caractéristique générale des nuées ardentes « modestes » de ce type, et nos
résultats semblent donc être extrapolables à d’autres volcans et dans d’autres contextes.
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Fig. 4 : (A) Exemple typique de dépôt d’écoulement pyroclastique du Tungurahua et détail des 7 familles de
clastes présents. (B) Résultats obtenus dans la vallée de Juive (au Nord du volcan) montrant les proportions en
masse (%) de produits juvéniles et non-juvéniles présents dans les dépôts.
Nos travaux ont de plus montré que l’érosion se produit principalement sur les parties hautes
du volcan (> 3500 m d’altitude), là où les pentes sont fortes (>25°), et où la matière incorporée
possède une énergie potentielle importante. Il est donc probable qu’une partie de l’exceptionnelle
mobilité des nuées ardentes soit due à leur importante capacité érosive. Cette problématique
représente le thème de Recherche de la seconde partie de ces travaux de Doctorat, qui va être
discutée ci-dessous.
Travail de recherche : modélisation numérique d’écoulements pyroclastiques érosifs
Avec le développement des moyens informatiques, la modélisation numérique représente
aujourd’hui une branche importante de la volcanologie (Roche et al., 2013), qui a pour but de tester
différents scénarii éruptifs afin d’estimer les zones impactées. Ces simulations sont fortement
dépendantes de nos connaissances actuelles au sujet des différents aléas, et sont donc susceptibles
d’évoluer dans le temps en fonction des nouvelles découvertes.
Un code numérique baptisé VolcFlow (http://lmv.univ-bpclermont.fr/volcflow/) a été
développé au Laboratoire Magmas et Volcans (Kelfoun et Druitt, 2005 ; Kelfoun et al., 2009) afin de
simuler la mise en place d’écoulements volcaniques. VolcFlow permet de tester différents
paramètres rhéologiques décrivant le comportement de ces écoulements, et offre ainsi l’opportunité
de mieux comprendre la physique de leur mise en place. Ce code permet aussi d’estimer les zones
menacées en cas d’éruption et est aujourd’hui utilisé à ce titre en routine par de nombreux instituts
à travers le monde dans le but de produire des cartes d’aléas (notamment au sein de l’IG-EPN
équatorien). VolcFlow ne prenait cependant pas en compte la capacité érosive des écoulements
pyroclastiques jusqu’à présent.
Les données quantitatives de terrain précédemment obtenues ont été utilisées pour définir
et calibrer des équations d’érosion théoriques développées dans le cadre de ces travaux et
applicables à la thématique des nuées ardentes érosives. Ces nouvelles équations d’érosion reposent
sur la seconde loi de Newton. Elles décrivent la balance des forces externes qui s’appliquent sur une
particule sphérique présente dans une couche érodable perturbée par le passage de la nuée ardente
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(Fig. 5A). Une fois intégrées à VolcFlow, ces équations ont permis de tester différents cas
d’écoulements érosifs, et de mettre en évidence pour la première fois l’impact de l’érosion sur le
comportement des nuées ardentes étudiées. Les différentes rhéologies testées simulent des
écoulements dont la friction basale (exprimant l’action des nuées au niveau de leur contact avec la
couche érodable) dépend 1) d’un angle donné (généralement l’angle de repos du matériel granulaire
formant l’écoulement, ou rhéologie Coulomb) ou 2) est constante tout au long de la mise en place,
quelle que soit l’épaisseur de l’écoulement modélisé (rhéologie plastique).
Fig. 5 : (A) Schéma du système modélisé dans le cadre de ce Doctorat. (B) Résultats de simulations numériques
sur la topographie du volcan Tungurahua, pour des écoulements érosifs dans le premier cas et non-érosif dans
le second. Tous les autres paramètres sont égaux entre les deux simulations.
Les simulations numériques d’écoulements pyroclastiques érosifs (Fig. 5B) montrent que la
rhéologie plastique est la plus à même de reproduire la dynamique et les dépôts naturels observés
lors de l’éruption de 2006 du Tungurahua. De manière intéressante, la rhéologie Coulomb
communément invoquée pour décrire le comportement de matériaux granulaires en mouvement, ne
réussit pas à reproduire la dynamique et les dépôts de ces nuées ardentes. Nos résultats montrent
en effet que l’érosion est liée à des variations temporelles et spatiales du ratio des forces normales
vs. cisaillantes à la base des écoulements. Dans le cas de nuées possédant un cisaillement basal
constant (i.e. une rhéologie plastique), ces variations sont produites simplement par des fluctuations
de l’épaisseur de l’écoulement pendant sa mise en place, ce que ne peut pas reproduire la rhéologie
Coulomb. Dans le détail, la succession de phases d’accélération et de décélération de pulses de
matière possédant une rhéologie macroscopique plastique se traduit par des écoulements possédant
un front fortement frictionnel et érosif, poussé par un corps plus épais et non-érosif. Le mécanisme
complexe d’érosion/entrainement mis en évidence ici s’avère être capable de reproduire fidèlement
les caractéristiques naturelles des écoulements pyroclastiques du paroxysme de 2006 du
Tungurahua, à la fois en termes de proportions de matériel entrainé (40-50 % dans nos simulations),
que de vitesses et de distances de parcours.
Il a ainsi été possible à l’aide du code VolcFlow et des nouvelles équations écrites dans le
cadre de ces travaux, de quantifier pour la première fois l’impact de l’érosion sur le comportement
des nuées ardentes. Nos résultats montrent que des écoulements pyroclastiques érosifs sont
caractérisés par un accroissement significatif (de l’ordre de 10-30%) de leur mobilité, c’est-à-dire des
distances de parcours et de l’aire couverte (Fig. 5B ; Bernard et al., 2014). Cette donnée est très
importante en termes d’aléa, et démontre qu’une forte capacité érosive implique des distances de
parcours qui augmentent, et donc une menace accrue. La réalisation de simulations numériques
prenant en compte différents scénarii éruptifs (volume, type de source, etc) permet de plus de
produire directement des cartes de menaces actualisées.
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Ces travaux, et notamment l’aspect appliqué des modélisations numériques, permettent
d’anticiper la mobilité importante et jusqu’à présent inexpliquée de certaines nuées ardentes, tout
en améliorant significativement la conception des cartes d’aléa et de risque. Ils démontrent aussi
l’importance de prendre en compte l’érosion lors de la définition de l’aléa, et soulignent l’intérêt de
réaliser de plus amples recherches sur ce sujet encore peu connu. Des études couplant à la fois
observations de terrain, modélisations numériques et expériences en laboratoire (ex : Chédeville et
Roche, 2015) sur ce thème semblent ainsi être très prometteuses pour les années à venir.
Implications et perspectives
Ces travaux de thèse se situent à la base de la définition du risque et permettent d’améliorer
sensiblement l’évaluation de la menace associée aux nuées ardentes, en mettant pour la première
fois en évidence le rôle crucial de leur capacité érosive sur la répartition des zones impactées. La
double approche terrain et modélisations numériques développée ici permet à la fois de mieux
connaître l’aléa et d’en prévoir les conséquences. Nos résultats ouvrent de nouvelles perspectives
sur la compréhension des écoulements pyroclastiques et peuvent expliquer le comportement
surprenant (fortes distances de parcours) de certaines nuées ardentes récentes ayant causé de
lourdes pertes humaines et économiques (e.g. au volcan Mérapi en 2010 en Indonésie). Ils sont donc
susceptibles d’aider à une gestion en amont du risque volcanique.
De plus, ces travaux menés au « Sud » (en Équateur, un pays qui possède plus de 80 volcans)
répondent à un besoin réel des institutions en charge de la prévention des catastrophes naturelles,
et y sont aujourd’hui utilisés de manière opérationnelle pour la définition de l’aléa. La méthode
« terrain » novatrice développé dans le cadre de cette thèse semble prometteuse et devrait pouvoir
être extrapolée à l’étude de différents types de dépôts et/ou volcans. Enfin, en France, les méthodes
et conclusions de ces travaux sont potentiellement applicables aux départements d’Outre-Mer de la
Martinique (volcan de la Montagne Pelée) et de la Guadeloupe (volcan de la Soufrière).
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