Evaluation des aléas coulée de lave et gaz volcaniques au Piton de

Appel à projet OSU Réunion 2012
Evaluation des aléas coulée de lave et gaz volcaniques au Piton de
la Fournaise par l'enregistrement de la végétation.
Soutien aux opérations scientifiques pluridisciplinaires et inter-laboratoires
Porteurs du projet: Laurent Michon et Dominique Strasberg
Ce projet constitue le second volet d'une action de recherche soutenue par l'OSU Réunion
en 2011 (cf projet déposé en 2011 en Annexe1), à la frontière entre Géosciences et
Sciences du Vivant. Son originalité est d'améliorer notre connaissance sur l'histoire éruptive
du Piton de la Fournaise et sur deux aléas volcaniques essentiels par l'étude botanique et
chimique d'une espèce indigène pionnière sur les coulées de lave: le Bois de Rempart
(Agarista salicifolia).
L'action de recherche s'est développée en 2011 en parallèle du programme de
"Réévaluation de l'aléa volcanique au Piton de la Fournaise" financé par le ministère de
l'Écologie, de l'Énergie, du Développement durable et de la Mer et piloté par le BGRM et
l'Observatoire Volcanologique du Piton de la Fournaise.
En 2012, nous poursuivons les travaux entrepris en 2011 (cf bilan ci-dessous) et
enrichissons le projet initial grâce à une expertise en dendro-isotopie qui apportera des
contraintes fortes sur la récurrence d'éruptions fortement productrice de gaz volcaniques.
1- Contexte scientifique et bilan 2011
L’évaluation fine des aléas coulée de lave et gaz volcanique associés au Piton de la
Fournaise nécessite de connaître de façon précise la fréquence et l’intensité des éruptions
dans le passé. L’information doit être obtenue sur une période de temps assez longue pour
qu’un traitement statistique des données soit possible et pour que la probabilité de recouvrir
un ou plusieurs événements extrêmes soit élevée.
En 2011, un premier objectif de notre action a été de synthétiser les informations fiables
concernant les éruptions observées au Piton de la Fournaise à partir d'écrits allant de 1753
(Heguerty, 1753) à nos jours (Figure 1).
Une première distinction a été faite
entre les éruptions intra et hors Enclos,
ces dernières ayant des conséquences
importantes en termes d'aléa coulée de
lave pour la population résidant sur les
flancs du volcan. Un des résultats mis
en lumière par cette synthèse est
l'importante variation d'occurrence des
éruptions hors Enclos, organisées en
deux clusters séparés par plus de 150
ans (1708-1800 et 1977-1998).
Figure 1: Répartition des éruptions du
Piton de la Fournaise entre 1708 et l'Actuel.
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Une seconde distinction a été réalisée pour les éruptions intra Enclos entre celles ayant
produit des coulées arrivées à la mer et les autres. Deux raisons ont motivé ce choix. 1- Les
coulées arrivant en mer ont un impact économique majeur en coupant le seul axe routier
existant entre Sainte Rose et Saint Philippe. 2- Notre expérience actuelle basée sur
l'observation fine des dernières décennies via l'OVPF suggère que les coulées arrivant en
mer se produisent le plus souvent pendant des périodes d'activité intense durant lesquelles
l'émission de gaz volcanique augmente significativement (ex: éruption d'avril 2007).
Une fois encore, la distribution temporelle des éruptions associées à des coulées entrées en
mer a fortement varié durant les siècles derniers. Les données suggèrent une activité
soutenue entre 1750 et 1900, suivie d'une période moins dynamique jusqu'au début des
années 2000. Bien que l'activité semble s'être accélérée depuis 2000, le peu de recul sur
cette période ne permet pas pour l'instant d'identifier une augmentation de l'activité similaire
à celle des 18ème et 19ème siècles.
Deux enseignements majeurs ressortent de cette synthèse. Premièrement, l'activité
volcanique du Piton de la Fournaise, coulées de lave hors Enclos et périodes d'activité
intense, est organisée en clusters. Deuxièmement, la période d'investigation est trop courte
pour comprendre la récurrence de ces clusters.
Le second objectif du projet était donc d'évaluer la possibilité de dater les coulées de lave
"pré-historiques", i.e. avant 1708, par l'analyse de cohortes de Bois de Remparts, arbre
pionnier sur les coulées de lave. De fait, cette espèce de la famille des Ericacées est très
longévive et peut produire des individus de plus d’un mètre de diamètre sur les coulées de
plus de 5 siècles. Les travaux de mesure de ces bois menés dans le Grand Brûlé par deux
stagiaires rémunérés grâce au support financier de l'OSU-Réunion ont permis de mettre en
évidence une relation linéaire entre âge et dimension des arbres et donc de valider une
méthode de datation indirecte des coulées de lave sur les flancs du Piton de la Fournaise
(Figure 2).
Figure 2: Relation entre diamètre des Bois de Remparts et date des coulées sur lesquelles ces arbres
se sont développés.
2- Objectifs 2012
Ce projet vise à évaluer finement les aléas coulées de lave et gaz volcaniques au Piton de la
Fournaise en étendant notre connaissance sur la récurrence et l'importance des éruptions
pour la période anté 1700. Dans cette optique, nous daterons (1) les coulées de lave hors
Enclos à partir de l'analyse des Bois de Rempart et/ou de la datation C14 de bois carbonisés
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sous coulées et (2) les émissions majeures de gaz volcaniques par l’analyse dendroisotopique de la cellulose des Bois de Rempart.
Cette dernière méthode a été mise en œuvre avec succès sur des hêtres et des sycomores
poussant sur les pentes du Vésuve. Battipaglia et al. (2007) ont mis en évidence le
synchronisme des pics des chronologies de composition isotopique de l’oxygène (δ18O) de la
cellulose de ces arbres avec les éruptions volcaniques référencées. Ces travaux précurseurs
ouvrent la voie vers une nouvelle méthode de datation des éruptions volcaniques. Nous
faisons l’hypothèse que l’approche dendro-isotopique, appliquée aux bois de remparts
poussant sur le Piton de la Fournaise, permettra de réaliser une telle chronologie des
éruptions. La méthode sera testée sur les années récentes et l’analyse sera étendue à des
séries plus longues (pre-instrumentales) si elle se révèle fructueuse.
Les résultats issus de l'approche par dendro-isotopie sur la récurrence des émissions de gaz
volcaniques bénéficieront de facto aux études de dispersion des gaz proposées par Pierre
Tulet (Lacy), Andréa Di Muro (OVPF) et Nicolas Villeneuve (LGSR) dans le projet "Gestion et
analyse de l’aléa lié aux émissions de cendres et gaz volcaniques à La Réunion", déposé à
l'appel à projet 2012 de l'OSU-Réunion.
3- Programmation 2012
Mesure des Bois de Rempart sur les flancs sud et nord du Piton de la Fournaise afin (1) de
compléter la relation âge/diamètre pour les spécimens situés sur des coulées datées (e.g.
1708, 1776, 1800) et (2) dater les coulées non répertoriées à ce jour.
Echantillonnage, autant que possible, de bois carbonisés pour (1) valider les âges déduits de
la mesure des Bois de Remparts et (2) dater les coulées sur lesquelles les cohortes de Bois
de Remparts ne vivent plus.
Etablissement d'une nouvelle carte des coulées hors Enclos.
Prélèvement de carottes de Bois de Rempart sur des coulées datées. Analyse isotopique au
Laboratoire des Sciences du Climat et de l'Environnement.
Datation des éruptions associées à l'émission de gaz volcaniques sur les flancs du volcan,
tel qu'en avril 2007.
4- Références citées
Battipaglia, G., Cherubini, P., Saurer, M., Siegwolf, R. T. W., Strumia, S., Cotrufo, M. F., (2007), Volcanic
explosive eruptions of the Vesuvio decrease tree-ring growth but not photosynthetic rates in the surrounding
forests, Global Change Biol., 13, 1122-1137.
Heguerty, d' P.A., (1753), Observations sur le volcan de l'isle Bourbon, Mémoires de la Société Royale des
Sciences et Belles Lettres de Nancy, Antoine, Nancy, v.3, pp218-235.
5- Laboratoires et chercheurs participants (incluant les collaborations
extérieures)
- GéoSciences Réunion, IPGP, UMR 7154:
Laurent Michon
- UMR PVBMT:
Dominique Strasberg, Claudine Ah Peng,
Olivier Florès
- LSCE, IPSL, UMR 8212:
Valérie Daux,Monique Pierre et Michel
Stievenard
- OVPF, IPGP, UMR 7154:
Andrea Di Muro
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6- Equipements mis en œuvre
Les différentes unités mettent à disposition les équipements pour le terrain (véhicule,
logement, foreuses…), l'analyse (spectromètre de masse) et le traitement des données. Une
partie significative du budget total du projet est donc financé par les laboratoires
participants au projet.
7- Budget demandé à OSU-Réunion
Dendro-isotopie:
Mission pour 2 personnes
2000 €
Analyses isotopiques (20€/éch):
2000 €
Datation des coulées de laves:
Mesures des Bois de Rempart (2 mois de stagiaire)
4500 €
Datations (bois et charbons)
2000 €
Total demandé à l'OSUR
10500 €
Appel à projet OSU Réunion 2012
Annexe 1:
APPEL A PROJET de l’OSU Réunion 2011
Projet :
« Datation des coulées de lave par la végétation et mesure du risque volcanique »
Soutien aux opérations scientifiques pluridisciplinaires et inter-laboratoires
Ce projet constitue une nouvelle action de recherche à l’interface entre Géosciences et
Sciences du Vivant.
Il s’inscrit à la fois dans la thématique générale « Changement global et impact sur le milieu
naturel » et sa réponse biologique, et dans la thématique « Risques naturels ». Une
originalité forte du projet est de produire une carte de risque volcanique pour les flancs du
Piton de la Fournaise, à partir d'une étude de botanique visant à comprendre la croissance
du Bois de Rempart (Agarista salicifolia), espèce d'arbre indigène. Une telle interdisciplinarité forme une excellente base pour un appel à projet ANR. Le projet ANR
s'articulerait autour des thématiques suivantes: extinction des faunes et flores, changements
climatiques, dynamique de végétation, risques volcaniques.
Ce projet est complémentaire au programme "Aléas et risques volcaniques" en cours
d'élaboration entre le laboratoire GéoSciences Réunion, l'Observatoire Volcanologique du
Piton de la Fournaise et le ministère de l'Écologie, de l'Énergie, du Développement durable
et de la Mer.
Contexte scientifique
Le Piton de la Fournaise est un des volcans les plus actifs au monde. Sa dynamique
classique est caractérisée par des éruptions concentrées dans la caldera de l'Enclos. Bien
qu'impressionnants, ces événements sont sans danger pour les populations vivants sur les
flancs sud et nord de l'édifice. D'autres éruptions, plus rares, se produisent à l'extérieur de la
caldera. Les exemples récents de 1977 et 1986 ont révélé le caractère dangereux de ces
phénomènes, avec destruction d'habitations à Piton Saint Rose et au Tremblet et évacuation
des habitants. Notre connaissance sur la fréquence de tels événements est parcellaire et
inféodée à des restitutions orales et écrites dont l'exactitude reste mal contrainte.
Par ailleurs, le Piton de la Fournaise constitue un site exceptionnel pour comprendre
comment se met en place un écosystème forestier tropical à partir d’un substrat totalement
neuf après les phases éruptives. Sur les laves très récentes, dans la région du Grand brûlé,
lors du processus de succession primaire, les coulées sont recolonisées massivement par
les lichens mais aussi par plusieurs espèces de plantes pionnières capables de germer sur
la lave en l’absence de sol. Parmi ces plantes, une espèce d’arbre indigène, le Bois de
Rempart présente une capacité de germination et d’installation uniquement sur des substrats
neufs dépourvus de végétation. Sur chaque coulée de lave, c’est l’espèce d’arbre dominante
présentant des individus de même âge et de même taille. Cette espèce de la famille des
Ericacées est très longévive et peut produire des individus de plus d’un mètre de diamètre
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sur les coulées de plus de 5 siècles.
Objectif
Nous proposons de dater et cartographier les coulées de laves de plus de 100 ans, en
utilisant les différentes cohortes de Bois de Rempart dont l’âge sera estimé par les mesures
dendrométriques. Le calibrage âge diamètre sera réalisé à partir des quelques coulées
historiques datées avec précision. Ce jeu de données permettra d'élaborer une nouvelle
carte de risques volcaniques pour les flancs du Piton de la Fournaise.
Programme de recherche
Ces données complétées par des mesures d’indice de végétation permettront notamment de
quantifier la cinétique d’accumulation de biomasse au cours du temps en fonction de l’âge du
substrat.
Plus généralement, nous chercherons à valider la datation d’évènements éruptifs en utilisant
les végétaux actuels et subfossiles.
Ces données encore éparses aujourd’hui, une fois synthétisées à l’échelle de l’île
permettront de mieux comprendre la dynamique des écosystèmes passés sur une île
comme la Réunion et de la corréler à des variations climatiques majeures.
L’augmentation du nombre et de la précision des datations des évènements géologiques
pourra aider géologues et biologistes à inférer les hypothèses dans leur champ thématique
respectif.
Au plan fonctionnel, les mesures précises de biomasse et de stockage de CO2 sont
indispensables pour valider les modèles prédictifs de bilan des éléments comme C, Si, N, P,
Spatialisation des données :
Les relevés de terrain seront géoréférencés ; le travail de datation pourra être recoupée par
des données spatiales et par l’utilisation des orthophotoplans qui permettent de distinguer
clairement certaines coulées.
Laboratoires et chercheurs participants (incluant les collaborations extérieures)
GEOSCIENCES, IPGP, UMR 7154
- Laurent Michon
UMR PVBMT
- Dominique Strasberg
CIRAD
OVPF, IPGP, UMR 7154
- Andrea Di Muro
Appel à projet OSU Réunion 2012
UMR ESPACE DEV
Partenariat : CEREGE (sols et biomasse)
Observatoire de Physique du Globe de Clermont (OPGC), UMR 6524
- Patrick Bachèlery
Equipements mis en œuvre :
les unités mettent à disposition les équipements pour le terrain et le traitement des données
Besoins financiers
Les postes de dépenses concernent des vacations et des prestations
2011
Analyse d’image et élaboration d'un SIG
1850 €
Terrain:
1100€
Datations (bois et charbons)
2500 €
TOTAL DEMANDE
5450 €
Prévisionnel : Selon les résultats, poursuite du projet à une échelle spatiale plus large
2012
Analyses de sol et de végétation (N, P)
2500 €
Datations (bois et charbons)
5000 €