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Posté par Isabelle le Samedi 12/03/2016 à 10:00
Nouveau regard sur les écoulements pyroclastiques lors des super-éruptions volcaniques
Une étude internationale, conduite par des chercheurs du Laboratoire magmas et volcans (IRD/CNRS/Université Blaise Pascal), de l'Université de Buffalo et de l'Institut d'études géologiques des Etats-Unis, apporte un nouvel éclairage sur la compréhension des mécanismes physiques responsables des écoulements pyroclastiques générés lors des super-éruptions volcaniques. Jusqu'à présent, seul le modèle de mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une...) dilué turbulent (Le HMS Turbulent (n° de coque : S 87) est un bâtiment de la classe Trafalgar de sept sous-marins nucléaires d'attaque de la Royal Navy.) permettait d'expliquer les distances de parcours considérables de ces écoulements. Les chercheurs révèlent pour la première fois l'existence d'écoulements denses, engendrés par un très fort débit (Un débit permet de mesurer le flux d'une quantité relative à une unité de temps au travers d'une surface quelconque.) éruptif et une pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme...) interstitielle soutenue. Ces résultats, qui permettent de mieux évaluer les aléas volcaniques, sont publiés le 7 mars 2016 dans la revue Nature Communications.


De gauche à droite: © IRD / Pablo Samaniego, Benjamin Bernard, Pablo Samaniego:Emission de gaz du volcan Ubinas (Pérou) en avril 2014 ; Eruption du Tungurahua (Equateur) en mai 2010 ; Volcan Calbuco (Chili) avec une faible activité (Le terme d'activité peut désigner une profession.) fumarolienne (2015).

Les super-éruptions volcaniques explosives, dont le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) dépasse 500 km3 de magma, constituent des phénomènes cataclysmiques rares mais extrêmement dévastateurs.

Ils génèrent des écoulements pyroclastiques, mélanges de gaz et de fragments de roches à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...), plus denses que l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), qui dévalent les flancs des volcans, détruisant tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) sur leur passage.

Les dépôts issus de ces écoulements, appelés ignimbrites, peuvent s'étendre sur des distances de plus de 100 km depuis le centre éruptif.

Deux mécanismes physiques distincts à l'origine des écoulements pyroclastiques

La compréhension des processus à l'oeuvre lors du transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions de déplacements et...) et du dépôt des écoulements pyroclastiques, essentielle pour estimer les aléas naturels liés à ces phénomènes, intéresse les volcanologues depuis de nombreuses années.

Deux mécanismes physiques fondamentalement différents sont susceptibles d'opérer: un écoulement rapide et dilué (contenant moins d'1 % de particules, en volume), dont la turbulence (La turbulence désigne l'état d'un fluide, liquide ou gaz, dans lequel la vitesse présente en tout point un caractère tourbillonnaire : tourbillons dont la taille, la localisation et...) maintient les particules en suspension ( Le fait de suspendre des particules En chimie, la suspension désigne une dispersion de particule. En géomorphologie, la suspension est un mode de transport des sédiments. ...), ou bien un mélange avec une concentration quasi-maximale en particules, au sein (Le sein (du latin sinus, « courbure, sinuosité, pli ») ou la poitrine dans son ensemble, constitue la région ventrale...) duquel la pression de gaz interstitiel réduit la friction interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le "Diplôme...). Jusqu'à présent, seul le modèle d'écoulement dilué avait pu être démontré quantitativement, requérant des vitesses de propagation supérieures à 200 m/s.

L'objectif de ces recherches est de comprendre le comportement des écoulements pyroclastiques à partir d'un exemple bien caractérisé, afin de définir un modèle applicable à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un tout », comme l'énonçait...) des super-éruptions se produisant sur Terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...).

L'ignimbrite de Peach Spring révèle ses secrets

Dans cette étude, les chercheurs ont étudié l'ignimbrite de Peach Spring (en Arizona, aux Etats-Unis), formée par des écoulements de plus 170 km lors d'une éruption survenue il y a 18,8 millions d'années, émettrice de plus de 1300 km3 de magma et ayant conduit à la formation d'un cratère ( Pour le cratère d'origine volcanique, voir Cratère volcanique Pour le cratère d'origine météoritique, voir Cratère d'impact Pour le cratère formé à la suite d'un effondrement d'origine souterrainne (érosion, mine,...) volcanique géant (ou caldera).

Ils se sont intéressés à la présence, dans l'ignimbrite étudiée, de gros blocs de roches (> 0,5-1 m) présents initialement sur le substrat et entrainés par les écoulements pyroclastiques. Une première analyse leur a permis de démontrer que de tels blocs n'avaient pas pu être mis en mouvement par des écoulements dilués à des vitesses réalistes.


© IRD / Olivier Roche: La photo (a) montre le dépôt de l'écoulement pyroclastique qui contient de gros blocs de roches entrainés à Peach Spring. La photo (b) explique le mécanisme qui opère lors d'une expérience de laboratoire qui simule un écoulement pyroclastique.
Afin de comprendre ce phénomène d'entrainement, les chercheurs ont ensuite simulé, en laboratoire, la propagation d'un écoulement pyroclastique sur un substrat de particules. La procédure, mise au point (Graphie) avec les partenaires de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Chili, consiste à générer, à petite échelle, un écoulement gravitaire constitué d'un mélange dense de particules solides et d'air (L'air est le mélange de gaz constituant l'atmosphère de la Terre. Il est inodore et incolore. Du fait de la diminution de la pression de l'air avec l'altitude, il est nécessaire de...). Grâce à ces expériences, les chercheurs ont montré, pour la première fois, qu'un gradient de pression généré à la base de l'écoulement permet de soulever les particules du substrat, qui sont alors incorporées dans l'écoulement et entrainées vers l'aval.

En appliquant la loi expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et politique. En science, il s'agit d'approches de...) qui relie la taille des particules du substrat entrainées à la vitesse (On distingue :) de l'écoulement, les auteurs ont pu calculer la vitesse des écoulements pyroclastiques qui ont formé l'ignimbrite Peach Spring: entre 5 et 20 m/s. Cette vitesse, sur une distance de parcours minimale de 170 km, a ensuite permis de déterminer la durée de l'éruption (entre 2,5 et 10 heures), et son débit (10-10 m/s), supérieur à ceux connus jusque-là.

Vers une meilleure évaluation des aléas volcaniques dans les pays du Sud (Le sud est un point cardinal, opposé au nord.)

Grâce à cette combinaison (Une combinaison peut être :) d'expériences en laboratoire et de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) de terrain, les chercheurs concluent que lors d'une super-éruption, un fort débit éruptif pendant plusieurs heures (L'heure est une unité de mesure  :) et une pression de gaz interstitielle soutenue dans les écoulements pyroclastiques peuvent être plus efficaces qu'une suspension diluée extrêmement rapide pour causer de très grandes distances de parcours.

Ce nouveau regard sur les mécanismes de propagation des écoulements pyroclastiques invite à reconsidérer les interprétations de nombreuses ignimbrites générées par des super-éruptions au cours de l'histoire de la Terre. Il ouvre de nouvelles perspectives pour mieux évaluer les aléas volcaniques, notamment le long de la Cordillère (Une cordillère est une chaîne de montagnes allongée et étroite résultant généralement de la rencontre de deux plaques tectoniques.) des Andes, qui regroupe certains des volcans les plus actifs du monde (Le mot monde peut désigner :): Chimborazo, Cotopaxi (Le Cotopaxi est un volcan d'Équateur culminant à 5 897 m, situé au sud-est de Quito, la capitale du pays. Il est le plus haut volcan actif de ce pays. Il représente...), Tungurahua (Equateur), Ubinas, Misti (Pérou), Lascar, Villarrica, Calbuco (Chili)...

Gestion des aléas et risques volcaniques: une coopération scientifique Nord-Sud

Priorité scientifique de l'IRD, la gestion des aléas et risques volcaniques fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une étiquette verbale. Il est défini par les relations externes qu'il...) d'une coopération scientifique de longue date avec les partenaires des pays du Sud, dans les Andes (Chili, Equateur, Pérou) et dans les océans (Océans stylisé Ωcéans est un documentaire français réalisé par Jacques Perrin et Jacques Cluzaud dont le tournage a commencé en 2004...) Indien et Pacifique (Indonésie, Vanuatu).

Depuis 2015, un consortium a vu le jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début (par rapport à minuit...) en Amérique (L’Amérique est un continent séparé, à l'ouest, de l'Asie et l'Océanie par le détroit de Béring et l'océan Pacifique; et à l'est, de l'Europe et de l'Afrique par l'océan Atlantique. Elle...) latine, et constitue un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son efficacité naturelle dans l'action. Cette augmentation se traduit par la...) de coopération régionale: le projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) VIMESEA. Coordonné par l'IRD et la Commission nationale de recherche scientifique (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique...) et technologique du Chili (CONICYT) et financé par la Commission européenne, ce projet vise à améliorer les connaissances sur les mécanismes des éruptions volcaniques dans les Andes et leurs impacts sur l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux...) et les sociétés. Il implique plusieurs instituts de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) européens (Laboratoire magmas et volcans du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), de l'Université Blaise Pascal (Blaise Pascal (19 juin 1623, Clermont (Auvergne) - 19 août 1662, Paris) est un mathématicien et physicien, philosophe, moraliste et théologien français.) et de l'IRD, Université de Bristol, Université de Munich, Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) de volcanologie de Pise) et sud-américains (Université du Chili, Institut géologique, minier et métallurgique du Pérou, Institut géophysique d'Equateur).

Des recherches sont également conduites en Equateur et au Pérou

- Laboratoire mixte international "Séismes et volcans dans les Andes du Nord (Le nord est un point cardinal, opposé au sud.)" (LMI SVAN). Ce laboratoire étudie et surveille les volcans actifs de l'arc équatorien, tels que le Guagua Pichincha (1999-2001), le Tungurahua (1999-jusqu'à aujourd'hui) et le Reventador (2002 jusqu'à aujourd'hui).

- Equipe de volcanologie de l'INGEMMET Pérou (jeune équipe associée à l'IRD VIP). Grâce à des modèles numériques capables de simuler les écoulements volcaniques et aux informations de terrain, elle produit des cartes d'aléas potentiels pour des volcans, tels que l'Ubinas (actif en 2006-2009 et 2014-2015) et le Sabancaya (actif depuis 2013).

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Source: CNRS-INSU