Dissertations / Theses on the topic 'Pyroclastique'

Dans les Andes centrales et septentrionales (Colombie, Equateur), l'étage des Páramos, situé entre les neiges permanentes (+/- 4800 m d'altitude) et la forêt andine (+/- 3000 m d'altitude) est soumis à une pression anthropique croissante. Cette étude vise à préciser la nature, la diversité et la genèse des sols des Páramos d'Equateur sur couverture pyroclastique puis à étudier leurs principales propriétés physiques (pouvant contrôler les comportements hydrodynamiques et érosifs à l'état naturel et après mises en usage). Cinq profils sont choisis pour rencontrer les principales catégories des sols volcaniques (andosols) de ce milieu. Nous montrons que les profils retenus s'inscrivent dans une séquence au sein de laquelle l'âge et la texture des pyroclastes parentaux contrôlent le degrès d'évolution des sols. Dans ce milieu montagnard et humide, tous les sols sont très humifères et cela quel que soit l'âge de la mise en place de leur dernier niveau pyroclastique. Les andosols les plus âgés (+/- 3000 ans) de cette séquence sont non-allophaniques et présentent une combinaison inhabituelle de propriétés avec des teneurs en carbone proches de celles de sols organiques (150230 G. KG 1) et des capacités de rétention d'eau à 1500 KPA qui sont celles d'andosols perhydrates (> 1000 G. KG - 1). Nos résultats montrent que la porosité totale de ces andosols est essentiellement constituée par des pores de rayon < 0,1 m et que le développement de cette nanoporosite est dû, pour l'essentiel, à l'accroissement de leurs teneurs en carbone humidifié et en complexes organo-aluminiques. Nous mettons également en évidence que plus la nanoporosite de ces matériaux est élevée, plus la dessiccation entraîne des modifications irréversibles de leur architecture porale. Après un séchage même modéré, ces matériaux peuvent également devenir hydrophobes et nous relions ce comportement à la présence de composés lipidiques de poids moléculaire élevé. Au vu de leurs propriétés physiques, les andosols des Páramos équatoriens, particulièrement les plus évolués d'entre eux, apparaissent comme des sols très fragiles. En effet, leur comportement vis-à-vis de l'eau et, par là, leur résistance à l'érosion, risquent d'être considérablement altérés par les manipulations que requiert leur mise en usage.

Les écoulements pyroclastiques sont des mélanges à haute température de gaz et de particules volcaniques qui peuvent se propager sur de très grandes distances. Cette forte « mobilité » est souvent attribuée à leur capacité à se fluidiser, c’est-à-dire à générer et conserver une forte pression interstitielle de gaz qui réduit les forces de friction interne. L’objectif principal de cette thèse est de comprendre comment les irrégularités des terrains sur lesquelles se propagent les écoulements pyroclastiques peuvent favoriser leur fluidisation. Une première série d’expériences de laboratoire a consisté à générer des écoulements de particules fines (diamètre de 45-90 μm) sur des substrats de différentes rugosités. Les résultats montrent que la distance de parcours des écoulements augmente avec la rugosité, allant jusqu’à doubler par rapport à la distance de parcours sur fond lisse. Des analyses de vidéos haute vitesse et des mesures de pression interstitielle d’air à la base des écoulements montrent que la tête (partie antérieure) des écoulements qui se propagent sur un substrat rugueux s’auto-fluidisent en conséquence de la sédimentation des particules dans les interstices du substrat, chassant l’air qui remonte et percole dans l’écoulement. Ce mécanisme d’auto-fluidisation est efficace pour toutes les inclinaisons étudiées (0-30°), suggérant qu’il est susceptible de se produire tout au long de la mise en place d’un écoulement pyroclastique. Une seconde étude a consisté à faire chuter des lits de particules dans une colonne statique. Les résultats montrent que même pour une hauteur de relâchement relativement faible (20 cm), le mélange peut entièrement s’auto-fluidiser durant sa chute. Quand les particules sont suffisamment fines (<100 μm) la pression interstitielle dans le dépôt diffuse pendant plusieurs secondes, la durée de cette diffusion augmentant avec l’augmentation de l’épaisseur du lit et la diminution de taille des particules. Les temps de diffusions les plus longs sont observés avec un matériau provenant d’un dépôt d’écoulement pyroclastique (~30 s pour des lits de 28.5 cm d’épaisseur). Ces résultats suggèrent que les écoulements pyroclastiques qui se propagent sur des terrains accidentés peuvent s’auto-fluidiser et conserver une faible friction au cours de leur mise en place
Pyroclastic flows are hot mixtures of gas and particles that can propagate over large distances. This high “mobility” is often attributed to their ability to be fluidized, that is, to generate and retain high gas pore pressure that reduces internal friction forces. The main objective of this thesis is to understand how irregularities of substrates on which pyroclastic flows propagate can enhance their fluidization. A first set of laboratory experiments consisted of the generation of fine-grained flows (diameter of 45-90 μm) on substrate of various roughness. Results show that the flow runout distance increases with the substrate roughness, and is up to twice the runout on a smooth substrate. High speed video analyses and air pore pressure measurements at the flow base show that the flow head propagating over a rough substrate can auto-fluidize because of particles sedimentation into the substrate interstices, which forces the air to escape upward and percolate through the flow. This auto-fluidization mechanism is efficient at all inclinations investigated (0-30°), suggesting that it could occur during the whole emplacement of a pyroclastic flow. A second study consisted of the vertical release of beds of particles in a static column. Results show that the granular mixture can be fully fluidized, even when collapsing from a relatively low height (20 cm). When particles are fine enough (<100 μm), pore pressure in the deposit diffuses for several seconds, the diffusion duration increasing with increasing bed thickness and decreasing particle size. The longest diffusion durations are observed for pyroclastic flow deposit materials (~30 s for 28.5 cm thick beds). These results suggest that pyroclastic flows propagating on irregular terrains can auto-fluidize and preserve low internal friction during their emplacement

Les écoulements pyroclastiques constituent des mélanges de cendres et de gaz volcaniques chauds fortements mobiles. Leur comportement fluide est attribué aux effets de fluidisation développés durant la propagation. Au cours de ce travail, nous avons mis en place un dispositif expérimental permattant de reproduire la dynamique de ces écoulements en laboratoire. Ces expériences ont été effectuées sur un chenal horizontal et à des températures suffisament élevées pour permettre l'utilisation de matériaux naturels (cendres volcaniques). Dans un premier temps, les propriétés d'expansion et de sédimentation (1-D) des cendres naturelles ont été étudiées dans le réservoir du dispositif. Les vitesses de sédimentation ont été déterminées après expansion initiale du mélange puis sédimentation (par coupure rapide de l'alimentation en gaz). Les écoulements ont ensuite été générés en ouvrant la porte coulissante du réservoir (après expansion des cendres jusqu'à une valeur donnée : 6-43 vol% dans le réservoir). Chaque écoulement est alors soumis à une défluidisation progressive durant la propagation jusqu'à son arrêt définitif. Cette étude a révélé que le transport non turbulant des cendres augmente fortement avec l'expansion initiale. Pour une expansion donnée la vitesse de sédimentation d'un écoulement est identique à celle mesurée à partir des expériences (1-D) effectuées dans le réservoir. La propagation et la sédimentation de l'écoulement, gouvernées par deux paramètres adimensionnés : le rapport d'aspect initial du mélange expansé dans le réservoir et le rapport d'un temps d'accélération gravitattionnelle et d'un temps de sédimentation, reflète un fort contrôle de la sédimentation

Ce travail traite de l'utilisation de l'analyse d'image dans ses applications possibles a des problemes geologiques. Son objectif initial est de mettre en oeuvre l'analyse d'image comme outil quantitatif pouvant aider a la description texturale et sedimentologique de formations pyroclastiques. A travers ce type de formation particulier, on a en realite aborde deux problemes generaux en sedimentologie, d'une part celui de la definition de la granulometrie et de la fabrique des depots tres grossiers (riches en blocs), d'autre part la granulometrie des formations consolidees. Hors de la mise en oeuvre du traitement d'image et de son adaptation aux objets a etudier, il n'est pas dans le but de ce travail de developper l'analyse d'image dans ses aspects theoriques ou methodologiques. Apres un rappel des methodes et techniques de l'analyse d'image, suivi d'une discussion concernant les definitions et les methodes de mesure de la forme et de la taille des particules en 2d et en 3d ainsi que les reconstitutions de la taille 3d a partir de mesures effectuees dans 2d, le traitement d'image est applique a deux types de formations pyroclastiques. Les deux applications traitees sont differentes au niveau : du materiel utilise (logiciel de traitement d'image en particulier) ; du support analyse : photographies d'affleurement dans un cas, echantillons de roche dans l'autre ; du mode d'extraction des particules, essentiellement manuel dans un cas et entierement automatique dans l'autre ; des possibilites offertes ou non selon le cas d'une reconstruction stereologique des informations 2d a des donnees 3d. La premiere application concerne l'etude des depots de coulees pyroclastiques a cendre et blocs de 1984 au merapi (java, indonesie). Le but principal de l'etude est une caracterisation quantitative de la fraction grossiere du depot (> 64 mm), non accessible par la methode de tamisage. Le probleme pose ici est en fait le probleme general de la mesure de la distribution des tailles trop grosses pour etre manipulables par la methode usuelle du tamisage. L'analyse d'image permet de mesurer des parametres varies dans les memes particules et traiter un nombre important d'objets. Nous avons obtenu une distribution des tailles apparentes des blocs, demontrant l'existence d'un mode bien defini a 128 mm (-7 phi) ou 180 mm (-7,5 phi) selon le critere de taille choisi (diametre du disque equivalent ou grand segment). La granulometrie globale du depot est fortement bimodale, le second mode etant localise dans la fraction cendreuse tamisee. Nous avons caracterise la distribution de la forme apparente des blocs (rapports d'axes) ainsi que leur orientation. Il apparait une orientation preferentielle bien marquee des blocs quelque soit leur taille. Cette fabrique subhorizontale est attribuee a une compaction post-depot caracteristique des coulees pyroclastiques. La seconde application a porte sur des echantillons consolides de breche volcanique avec comme but d'obtenir des donnees de granulometrie plane la ou le caractere consolide de la roche empeche une granulometrie classique par tamisage. Le choix s'est porte sur des echantillons de peperite de limagne (puy de crouel), constitues de granules de basaltes dans une matrice claire essentiellement marno-calcaire. Ce facies offre un contraste a priori favorable entre particules (ici les grains de basalte) et matrice, ce qui nous a permis de tester une procedure d'extraction automatique des particules. Les mesures de taille ont donc ete faites sur des tranches d'echantillons (donc en vraie 2d). Une distribution 3d a ete reconstituee par reconstructions stereologiques.

La premiere partie de la these est une etude tephrostratigraphique du volcan misti (perou) sur une periode de quelques dizaines de milliers d'annees. Depuis 31200 ans, le misti n'a produit que des magmas andesitiques (entre 55 et 63% de sio#2) a amphiboles et/ou pyroxenes. Entre 34000 bp et 31200 bp, plusieurs eruptions se sont produites avec un magma dacitique a micas, amphiboles et pyroxenes. Elles sont precedees d'un episode rhyolitique a micas qui represente les premieres manifestations identifiees du misti. Les depots eruptifs anterieurs sont attribues aux deux volcans voisins, le chachani et le pichu pichu. Dans une seconde partie on expose les resultats d'une etude experimentale et theorique sur l'entree des coulees pyroclastiques dans la mer. L'etude de la diminution de densite d'une coulee pyroclastique par suite de la vaporisation de l'eau entrainee conclut que ce phenomene constitue un obstacle majeur a la propagation sous-marine des coulees pyroclastiques turbulentes. Le repoussement de la mer par la coulee pyroclastique est alors propose comme mecanisme alternatif pour la mise en place d'ignimbrite sur le fond marin. On montre que pour des hauts debits associes a la formation de caldeiras, les distances de repoussement sur 360 sont de l'ordre de quelques kilometres pour des profondeurs de quelques dizaines de metres. Une derniere section traite theoriquement du comportement des coulees pyroclastiques face a des obstacles topographiques, en fonction de leur debit et de leur regime d'ecoulement. Quatre cas extremes sont envisages selon que la dissipation d'energie est dominee par les contraintes frictionnelles, collisionnelles, visqueuses ou turbulentes. Ces differentes contraintes n'ayant pas la meme dependance vis-a-vis de la vitesse et de la hauteur de l'ecoulement, on montre que la hauteur et la distance de l'obstacle franchi sont des indicateurs du debit et des contraintes dominantes dans l'ecoulement.

Les cendres volcaniques issues des différents mécanismes de fragmentation ont diverses textures et morphologies externes. Chaque particule de cendre peut donner des informations sur son propre environnement et sur les mécanismes de formation. On peut définir un régime de fragmentation et la quantité de l'eau qui participe au processus de fragmentation. Actuellement, les cendres volcaniques ont surtout fait l'objet d'approches qualitatives. En effet, la complexité et la variabilité des formes des particules volcaniques rendent l'approche quantitative difficile et la caractérisation numérique des textures de surface des cendres volcaniques, en raison de sa complexité, est encore mal définie. Des descriptions de surface simples et bien définies sont présentées dans cette étude. On se base sur le fait que la variation de niveau de gris est liée à la variation de rugosité de la surface. Ici, des valeurs de niveau de gris ont été employées sous une forme correspondant aux valeurs z vertical sur la surface. Les inconvénients et les avantages de la simplicité de la méthode sont discutés. Sept paramètres de rugosité (Rq, Ra, Rsk, Rku, Rv, Rp, Rt), trois paramètres de quadtree (nQT, mQT, sQT) et dimension de fractale sur des surfaces de cendres sont mesurés. Une analyse de gradient basée sur des opérateurs de Sobel a été exécutée et des parcelles de terrain polaires ont été produites, sur la base de la fréquence des gradients. Différents paramètres de forme, tels que le facteur de forme, la compacité, l'arrondi, l'allongement, la solidité, la convexité et les dimensions de fractale sont calculés sur les parcelles de terrain polaires. Des échantillons provenant de l'activité variée de 5 volcans ont été choisis pour l'analyse 2D : Nemrut, Erciyes (Turquie), Galunggung (Indonésie), Villarica (Chili), Miyakejima (Japon). Cependant, des images tridimensionnelles permettent à différents dispositifs morphologiques d'être mieux interprétés et mesurés. En conséquence, des coupes de particules, la stéréoscopie et le meulage commandé ont été employés pour acquérir une reconstruction 3D. Des paramètres externes sont calculés sur les surfaces 3D des particules des cendres du volcan Villarica. Les paramètres externes sont employés pour regrouper les différents types de particules selon leurs mécanismes de framentation et en particulier pour séparer les changements de styles en cours d'éruptions, liés au rapport eau/magma. Les paramètres de morphologie de surface optima ont été déterminés à l'aide des corrélations entre les paramètres de surfaces qualitatif, la porosité, l'abondance des xénolithes, les rapports de masse eau-magma (R) et des paramètres de surfaces quantitatifs. On admet que Ra et Rq sont des paramètres de rugosité sensibles à la micro-rugosité (par exemple à la poussière fine) tandis que d'autres paramètres de rugosité, Rsk et Rku, mesurent la macro-rugosité liée aux cavités de surface (vésicules). En effet, le paramètre de quadtree nQT, la dimension de fractale des surfaces et la solidité des parcelles de terrain polaires ont aussi la même réponse à la micro-rugosité, semblable à Ra et Rq. En raison de l'intérêt croissant pour les propriétés externes de matériaux normaux, les paramètres des surfaces proposés dans cette étude peuvent être appliqués aux surfaces de divers matériaux normaux

L'objectif essentiel de cette etude est de constituer une base de donnees des proprietes physiques des roches pyroclastiques. Celle-ci permet de comprendre les proprietes physiques de ces roches ce qui, par la suite, contribuera a une meilleure interpretation des signaux precurseurs des eruptions volcaniques et donc une surveillance plus adaptee des volcans explosifs. Les echantillons selectionnes pour mener cette etude sont representatifs des depots de la montagne pelee et les donnees acquises concernent les proprietes hydrauliques, electriques (conductivite electrique, potentiel d'electrofiltration,), thermiques, magnetiques, elastiques et anelastiques (vitesse et attenuation). La permeabilite, qui couvre 6 ordres de grandeur, reflete la diversite des distributions de rayons d'acces des pores liee aux modalites de degazage variees des pyroclastites. La geometrie du reseau poreux de ces roches conditionne fortement la plupart des proprietes physiques etudiees engendrant des relations entre celles-ci. Ainsi, le facteur de formation et la conductivite thermique sont etroitement lies a la permeabilite. Les coefficients d'attenuation des ondes p et s sont particulierement bien correles au facteur de formation tandis que les vitesses de ces ondes dependent surtout de la presence ou non de microfissures. Cette etude montre aussi que, si pour les proprietes de transport, certains modeles elabores pour les roches sedimentaires restent adaptes aux pyroclastites, les modeles classiques decrivant les proprietes elastiques et anelastiques sont moins satisfaisants. Le probleme de la representativite des mesures de laboratoire par rapport aux proprietes physiques in situ des roches etudiees est aborde, a partir d'experiences effectuees sur des cendres non consolidees, puis sur un melange de cendres et de blocs (similaires aux depots pyroclastiques), a l'echelle decimetrique. Les resultats obtenus sont en assez bon accord avec les quelques donnees de terrain existantes.

Les cendres volcaniques issues des différents mécanismes de fragmentation ont diverses textures et morphologies externes. Chaque particule de cendre peut donner des informations sur son propre environnement et sur les mécanismes de formation. On peut définir un régime de fragmentation et la quantité de l'eau qui participe au processus de fragmentation. Actuellement, les cendres volcaniques ont surtout fait l'objet d'approches qualitatives. En effet, la complexité et la variabilité des formes des particules volcaniques rendent l'approche quantitative difficile et la caractérisation numérique des textures de surface des cendres volcaniques, en raison de sa complexité, est encore mal définie. Des descriptions de surface simples et bien définies sont présentées dans cette étude. On se base sur le fait que la variation de niveau de gris est liée à la variation de rugosité de la surface. Ici, des valeurs de niveau de gris ont été employées sous une forme correspondant aux valeurs z vertical sur la surface. Les inconvénients et les avantages de la simplicité de la méthode sont discutés. Sept paramètres de rugosité (Rq, Ra, Rsk, Rku, Rv, Rp, Rt), trois paramètres de quadtree (nQT, mQT, sQT) et dimension de fractale sur des surfaces de cendres sont mesurés. Une analyse de gradient basée sur des opérateurs de Sobel a été exécutée et des parcelles de terrain polaires ont été produites, sur la base de la fréquence des gradients. Différents paramètres de forme, tels que le facteur de forme, la compacité, l'arrondi, l'allongement, la solidité, la convexité et les dimensions de fractale sont calculés sur les parcelles de terrain polaires. Des échantillons provenant de l'activité variée de 5 volcans ont été choisis pour l'analyse 2D : Nemrut, Erciyes (Turquie), Galunggung (Indonésie), Villarica (Chili), Miyakejima (Japon). Cependant, des images tridimensionnelles permettent à différents dispositifs morphologiques d'être mieux interprétés et mesurés. En conséquence, des coupes de particules, la stéréoscopie et le meulage commandé ont été employés pour acquérir une reconstruction 3D. Des paramètres externes sont calculés sur les surfaces 3D des particules des cendres du volcan Villarica. Les paramètres externes sont employés pour regrouper les différents types de particules selon leurs mécanismes de framentation et en particulier pour séparer les changements de styles en cours d'éruptions, liés au rapport eau/magma. Les paramètres de morphologie de surface optima ont été déterminés à l'aide des corrélations entre les paramètres de surfaces qualitatif, la porosité, l'abondance des xénolithes, les rapports de masse eau-magma (R) et des paramètres de surfaces quantitatifs. On admet que Ra et Rq sont des paramètres de rugosité sensibles à la micro-rugosité (par exemple à la poussière fine) tandis que d'autres paramètres de rugosité, Rsk et Rku, mesurent la macro-rugosité liée aux cavités de surface (vésicules). En effet, le paramètre de quadtree nQT, la dimension de fractale des surfaces et la solidité des parcelles de terrain polaires ont aussi la même réponse à la micro-rugosité, semblable à Ra et Rq. En raison de l'intérêt croissant pour les propriétés externes de matériaux normaux, les paramètres des surfaces proposés dans cette étude peuvent être appliqués aux surfaces de divers matériaux normaux

L'éruption actuelle (depuis 1995) de la Soufrière Hills de Montserrat (Antilles) a produit 2 types de coulées pyroclastiques : des coulées à blocs et cendres et des coulées ponceuses. Lors de cette éruption, les coulées ponceuses sont plus mobiles que les coulées à blocs de cendres. Le travail a consisté à étudier le rôle des fluides magmatiques lors de la production et de la mobilité des coulées pyroclastiques de Montserrat. -L'estimation des paramètres physiques des explosions vulcaniennes de 1997 à Montserrat, grâce à l'observation des vitesses de sortie du matériel à l'évent, a montré une augmentation de l'intensité des explosions au cours des premières secondes. Les teneurs en eau et des pressions estimées au moment de la fragmentation traduisent le gradient de pression régnant dans la partie supérieure du conduit. Une grande partie des volatils présents dans le magma est alors utilisée à la fragmentation explosive du magma. -L'étude des vésicularités au pycnomètre à hélium et des textures au MEB des échantillons des dépôts des deux types de coulées pyroclastiques a contraint la capacité de ces particules à retenir des gaz magmatiques pendant leur mise en place. Cette étude a montré que seules les ponces de coulées ponceuses sont susceptibles de garder des gaz magmatiques. Entre 2 et 10% de leur volume est constitué de vésicules isolées, à l'inverse des vésicules des échantillons de dômes qui sont entièrement connectées au milieu ambiant. -La dernière partie s'est attachée à estimer les vitesses de gaz libérés au cours des écoulements pyroclastiques de Montserrat. Deux sources de gaz ont été étudiées : la diffusion de l'eau du verre silicaté et la libération de l'eau exsolvée des vésicules isolées par abrasion des ponces. Seule cette dernière source semble être en mesure de fluidiser une partie des écoulements ponceux, cela pourrait expliquer la différence de mobilité entre les coulées à blocs et cendres et les coulées ponceuses observées à Montserrat

Les écoulements (ou coulées) pyroclastiques (PFs) sont des mélanges concentrés de gaz et de particules à haute température qui représentent l’aléa volcanique le plus meurtrier qui soit. La protection des populations nécessite la mise au point de cartes des menaces précises, qui requièrent une connaissance fine de ces phénomènes. Cependant, les causes et les conséquences de l’érosion/incorporation associée aux PFs au cours de leur mise en place restent encore largement méconnues. Cette thèse se propose de caractériser la capacité érosive des PFs, de définir des mécanismes d’érosion, et de quantifier leurs impacts sur les budgets éruptifs et sur l’aléa associé. Pour cela, cette étude se concentre sur les PFs de volumes modestes mis en place pendant l’éruption d’août 2006 du volcan Tungurahua (Equateur) et adopte une démarche double, basée sur des investigations sédimentologiques et texturales des dépôts, couplées à la modélisation numérique. Une méthode originale, basée sur l’analyse d’images haute résolution corrigées par stéréologie, sur des études texturales détaillées des dépôts, et sur des bilans massiques de matière, permet de déterminer la granulométrie, la composition lithologique et la morphologie des produits sur l’ensemble de leur gamme de taille. Le calcul des bilans de matière montre que près de 50 wt. % des dépôts de PFs sont composés de matériaux non-juvéniles incorporés lors de la mise en place. Ces derniers proviennent principalement de la partie supérieure du volcan. La pente est ainsi le paramètre contrôlant au premier ordre l’intensité de l’érosion. Les budgets éruptifs complets indiquent un VEI de 3 (0,09 km 3 ) pour l’éruption, et soulignent l’importance de considérer séparément les matériaux juvéniles et non-juvéniles pour estimer la taille d’une éruption. L’étude détaillée des constituants met en évidence une ségrégation dynamique des clastes par densité au cours du transport, avec un taux de sédimentation de ≈10 cm.s -1 . Les données lithologiques, granulométriques et morphologiques démontrent la présence de phénomènes de fragmentation-abrasion des clastes pendant leur transport. Les clastes massifs (ex : laves anciennes) sont le principal agent de fragmentation des clastes scoriacés (ex : bombes). Des populations granulométriques fines, capables d’être transférées depuis l’écoulement dense principal vers les déferlantes et/ou le panache co-pyroclastique sont produites pendant toute la durée de la mise en place. Les modèles numériques basés sur une nouvelle loi d’érosion développée ici (et intégrée au code VolcFlow), démontrent la capacité de la rhéologie plastique à reproduire des PFs érosifs. L’érosion est associée à des variations dynamiques du rapport des contraintes normales/cisaillantes pendant la mise en place des écoulements, provoquées par des fluctuations d’épaisseur lors de phases de décélération. Le front fin des PFs, fortement frictionnel et érosif, est poussé par une tête et un corps plus épais, tous deux non érosifs. L’incorporation s’accompagne d’une augmentation de distance de parcours de l’ordre de 10-30% en fonction du taux d’incorporation, qui dépend de la quantité de matière affouillable disponible sur le volcan avant l’éruption. Ces résultats montrent que l’érosion peut avoir un rôle majeur sur les zones impactées par les PFs, et soulignent l’importance de prendre en compte cette capacité lors de la définition de l’aléa, ainsi que pour les études futures
Pyroclastic flows (PFs) are hot mixtures of gas and particles that represent the most deadly volcanic hazard. To protect the populations, it is necessary to work on precise risk maps, which require having a deep knowledge of these phenomena. However, the causes and consequences of erosion and incorporation of non-juvenile material during PFs emplacement remain poorly known. This thesis aims at characterizing the erosive capacity of pyroclastic flows, defining erosion mechanisms and quantifying their impact on eruptive budgets and associated hazards. Here, we focus on small-volume PFs and use an approach based on field and textural investigations coupled with numerical modeling of PFs emplacement. The August 2006 PF-forming eruption of Tungurahua volcano (Ecuador) is used as a case-study for this work.An original method, based on high-resolution, stereologically-corrected image analyses, detailed textural analyses of PFs deposits and mass budget, enables determining the grain size distribution and the componentry of PFs products along their entire clast size range. Volume calculation and mass budgets show that about 50 wt. % of the whole deposit consists of non-juvenile materials incorporated during PFs emplacement, and mostly coming from the upper part of the volcano. The slope is a prevailing parameter that controls PFs erosive power. Eruptive budgets support a VEI 3 event (0.09 km 3 ) for the 2006 eruption of Tungurahua and highlight the importance of separating juvenile from non-juvenile material. Detailed analyses of deposits’ componentry suggest a strong dynamic density-driven segregation of the clasts during PFs emplacement, associated with sedimentation rates of ≈10 cm.s -1 . Lateral variations of lithological, grain size, and morphological data demonstrate the occurrence of componentry-driven clast fragmentation and abrasion processes. Massive components (e.g. old lavas) are the main grinding agents of scoriaceous components (e.g. bombs). During emplacement, these processes continuously create fine grained populations, which are transferred from the main dense flow to pyroclastic surge or Co-PF cloud. Numerical models of erosive PFs based on a new erosion law integrated into VolcFlow code show the ability of plastic rheology to reproduce natural erosion patterns of PFs. The erosion is produced by dynamic variations of normal stress / shear stress ratio during emplacement, due to thickness unsteadiness during flow deceleration. The thin, highly frictional and erosive front of PFs pulses is pushed by the thicker and non-erosive head and flow body. Incorporation implies longer PFs runouts of about 10-30%, depending on the amount of incorporated material, which is related to the quantity of erodible material available on the volcano’s flanks before the eruption. These results show that erosion has a significant role on PFs runouts, and thus in hazard assessment, which should be closely taken into account in future works

Les écoulements pyroclastiques sont des écoulements volcaniques complexes dont le comportement physique fait encore l'objet de débats. Ils sont composés de deux parties : l'écoulement dense basal, riche en particules et en blocs, surmonté par la déferlante, diluée et turbulente. Les interactions entre ces deux parties ne sont pas bien comprises, tout comme leurs échanges de masses et de quantités de mouvement. Partant de ce constat, cette thèse se concentre sur l’étude des mécanismes de formation de la déferlante à partir de l’écoulement dense.Les expériences mettent en évidence un mécanisme de formation d'un écoulement dilué par l’alternance d’incorporation d'air et d’élutriation des particules fines d’un lit granulaire dense soumis à des vibrations. L'air est aspiré dans le lit granulaire pendant les phases de dilatation puis expulsé pendant les phases de contraction. Une partie des particules est alors soutenue par l'air turbulent expulsé et forme un mélange de gaz et de particules qui, plus dense que l’air, se transforme en un écoulement de gravité. Extrapolé à l’échelle d’un volcan, ce mécanisme d’incorporation d’air et d’élutriation peut être reproduit par une topographie rugueuse, où chaque obstacle génère une compaction puis une dilation de l’écoulement dense. La quantification du mécanisme a été effectuée et l’approche expérimentale a permis d’aboutir à une loi reliant le flux de masse de la partie dense vers la déferlante à la vitesse de l’écoulement dense. Le modèle numérique est utilisé dans un premier temps pour étudier la rhéologie de l’écoulement dense qui, en contrôlant sa vitesse, contrôle le flux de masse précédemment évoqué. Un chapitre est consacré à l’effet de la fluidisation de l’écoulement dense sur sa rhéologie. Les résultats montrent que la fluidisation par les gaz est capable d’expliquer à la fois la grande mobilité de ces écoulements, ainsi que la formation des morphologies terminales en lobes et chenaux. L’ingestion d’air dans un écoulement au cours de sa mise en place semble pouvoir expliquer une partie de la dynamique des écoulements denses. Des rhéologies simples, de premier ordre, ont également été analysées : la rhéologie de Coulomb, la rhéologie plastique, et la rhéologie à coefficient de frottement variable. Les résultats montrent que la rhéologie plastique semble la mieux adaptée pour reproduire la vitesse et l’extension des écoulements denses.Ce modèle numérique a ensuite été utilisé pour tester la loi de flux de masse obtenue suite aux expériences de laboratoire. Appliqués à l’effondrement de dôme du 25 juin 1997 à la Soufriere Hills de Montserrat, les résultats montrent que les simulations reproduisent des dépôts de déferlantes dont l’épaisseur et l’extension sont tout à fait réalistes. Les simulations reproduisent même les écoulements denses secondaires issus de la sédimentation de la déferlante puis de la remobilisation des dépôts. Les cycles d’ingestion/expulsion d’air dans l’écoulement dense, par interaction avec la topographie, expliqueraient donc à la fois la grande fluidité des écoulements denses et la formation des déferlantes pyroclastiques. Les résultats de cette thèse mettent à jour un mécanisme nouveau qui pourrait être la clé de la mise en place des écoulements pyroclastiques et pourrait permettre d’améliorer la prévision future des risques et des menaces par modélisation numérique
Small volume pyroclastic density currents are complex volcanic flows, whose physical behaviour is still debated. They comprise two parts: the pyroclastic flow, rich in particles and blocks, overridden by the ash-cloud surge, a turbulent and dilute flow. The interactions between these two parts are not fully understood, as well as their exchanges of mass and momentum. Therefore, the thesis focuses on the investigation of ash-cloud surge formation mechanisms from the pyroclastic flow. The experiments reveal a mechanism of dilute flow formation by alternation of air incorporation into and elutriation of fine particles from a dense granular bed subjected to vibrations. The air is aspirated into the granular bed during dilatations, and expulsed during the contraction phases. A part of the particles are then sustained by the turbulent expulsed air and form a mixture of gas and particles that transforms into a gravity current. Extrapolated to a volcanic edifice, this mechanism of air incorporation and elutriation can be reproduced by a rough topography, where each obstacle generates a compaction followed by a dilatation of the pyroclastic flow. The quantification of the mechanism has been accomplished and the mass flux from the dense flow to the ash-cloud surge has been deduced.The numerical model is first used to study the pyroclastic flow rheology, which controls the velocity of the flow, and then the mass flux previously mentioned. One chapter is dedicated to the fluidization effect on the pyroclastic flow rheology. Results show that this mechanism can explain the long runout of these flows, and also the formation of levées and channel morphologies. The air ingestion in the flow during its movement could explain a part of the pyroclastic flows dynamic. Simple rheologies has also been analyzed: a Coulomb rheology, a plastic rheology, and a variable friction coefficient rheology. Results show that the plastic rheology seems to be the most adapted rheology to simulate the pyroclastic flow dynamic. Then, the numerical model has been used to test the mass flow law obtained through experiments. Applied to the 25 June 1997 dome collapse at Soufrière Hills Volcano at Montserrat, results show that the simulations reproduce accurately the extension and the thickness of the surge deposits. The simulations are also able to reproduce the surge derived pyroclastic flow, generated by remobilisation of surge deposits. The cycles of ingestion/expulsion of air in the pyroclastic flow by interactions with the topography could explain both the great fluidity of these flows and the formation of ash-cloud surge. These results highlight a new mechanism that could be a key process in pyroclastic flow dynamic, which could improve significantly the hazard and risk assessment using numerical model

Étude des caractères pétrographiques et géochimiques des différents facies. Les résultats permettent de distinguer 3 lignées évolutives : des roches basiques à caractère tholéïtique, des roches intermédiaires acides à caractère calcoalcalin et un groupe de keratophyres et de pyroclastites peut être d'origine crustale. Étude des transformations liées aux épisodes tardimagmatiques, au métamorphisme régional, et au métamorphisme de contact. Le magmatisme dévono-dinantien du Massif du Rabodeau est ensuite replacé dans le cadre des Vosges et de la chaîne Varisque de l'Europe moyenne

La première partie de cette thèse traite de l'observation en micros-copie électronique en transmission (MET) des produits pyroclastiques émis lors de l'éruption de la Soufrière de St Vincent 1979 et du cycle éruptif du XVI ème siècle de la Soufrière de Guadeloupe. La première observation a mis en évidence, dans le verre de la mésostase des produits pyroclastiques, une démixtion sous forme de globules amorphes de 500 À de diamètre. Le phénomène est important du point de vue dynamisme éruptif, la démixtion peut considérablement modifier le mode de cristallisation et, par la même, être à l'origine du déclenchement de l'éruption. La seconde observation a porté sur un cycle éruptif complet. L'étude de la mésostase des différents produits émis, nous a permis de contraindre la chronologie des éruptions qui ont marqué le cycle. Tandis que l'étude fine des « dusty zones » contenues dans les plagioclases et qui n'avait, jusqu'à présent, pas été réalisée à cette échelle, nous a permis de déterminer que l'injection du magma dans la chambre magmatique s'était probablement faite à une température de 1290 ± 30 °C. Une telle température est inaccessible à partir des thermomètres classiques, qui n'enregistrent que la température de rééquilibrage thermique après mélange du magma résidant dans la chambre et le magma injecté. La seconde partie porte sur l'étude en MET d'inclusions de coesite dans un grenat d'un quartzite du massif de Dora Maira (Alpes italiennes). Les cristaux de coesite présentent une très faible densité d£ défauts cristallins, ce qui semble devoir être attribué à la grande résistance du matériaux. L'absence de relations topo tactiques systématiques entre ces cristaux et la partie rétromorphosée en quartz, ainsi que l'irrégularité des interfaces entre les deux polymorphes induit à penser que la transition Quartz-Coesite est effectivement reconstructive. Cependant les deux structures ne sont pas si dissemblables qu'il y paraît de prime abord et nous proposons un mécanisme de nucléation favorisé par le cisaillement. Nous avons complète cette étude en développant un modèle élastique , qui nous a permis d'expliquer la conservation de la coesite dans le grenat, et de montrer que la roche était probablement une coesitite formée sous plus de 30 kb ar de pression, à une température comprise entre 600 et 830 °C. Un tel métamorphisme, pour une roche d'origine crustale, pose un certain nombre de problèmes géodynamiques, tant d'enfouissement que de remontée en surface de la roche, nous avons essayé d'aborder ces questions d'un point de vue qualitatif, compte tenu des connaissances actuelles dans ce domaine.

Les proprietes vectorielles des roches pyroclastiques sont utilisees dans ce memoire pour caracteriser leurs processus de mise en place et pour localiser geographiquement la source des nappes d'ignimbrite. Les applications s'adressent a la province volcanique d'anatolie centrale (turquie) et a l'etna (sicile). Une analyse de la fabrique magnetique de l'ignimbrite de kizilkaya montre que l'origine de l'asm est variable dans ce type de roche. L'asm est coaxiale de la fabrique de forme mais les relations entre axes magnetiques et cinematiques sont complexes. Durant l'histoire de la mise en place, l'ignimbrite s'est comportee surtout comme un fluide de type newtonien. Une aggradation par palier est proposee comme mecanisme de depot dans cette unite. La localisation de la source est estimee par plusieurs methodes. L'une est basee sur la densite de recouvrement des eventails d'erreur asm. Une autre est basee sur la recherche du point du plan geographique a partir duquel les donnees directionnelles divergent le moins. Les resultats indiquent que la source est situee au sud-ouest de la ville de derinkuyu. D'autres methodes quantitatives nouvelles sont proposees dans la these. L'etude d'une autre ignimbrite est faite par analyse d'image de photographies prises sur le terrain. On montre que les fragments lithiques noyes dans une matrice cendreuse, developpent une fabrique similaire a celle produite par rotation interrompue de marqueurs rigides plonges dans un fluide visqueux d'inertie importante, soumis a un cisaillement simple lent. Le depot se serait fait en masse dans cette unite. A l'etna, on montre par l'analyse de fonction d'orientation de marqueurs rigides que les produits associes a la caldera du cratere elliptique sont en fait des pyroclastites soudees et non des coulees brechifiees par vesiculation progressive. Une synthese de la geologie des ignimbrites de cappadoce est presentee. Six grandes unites sont reconnues (surface: 2 500 a 10 500 km#2 ; volume: 80 a 300 km#3). Leurs sources sont situees au nord et au sud du massif de l'erdas. En outre, le massif tres fracture de sahinkalesi tepe est une importante structure de soulevement

Cette étude traite de la dynamique des éruptions volcaniques explosives, depuis les mécanismes de sub-surface jusqu'aux processus d'émission et de dispersion des pyroclastes. A cet effet un radar Doppler sol est utilisé (VOLDORAD), lequel renseigne sur la charge / vitesse des ejectas. Les données sont intégrées avec d'autres techniques géophysiques, et des modèles numériques sont développés afin de simuler les émissions pyroclastiques, générer des signaux radar synthétiques, pour finalement améliorer notre compréhension des processus qui leurs sont sous-jacents. L'Arenal (Costa Rica) est utilisé comme volcan cible, où de fréquentes éruptions de faible magnitude émettent des panaches de cendres et des projections balistiques jusqu'à quelques centaines de mètres au-dessus de l'évent. Dans un premier temps, nous combinons des données sismiques et radar afin d'explorer la relation entre les processus de conduit et les émissions pyroclastiques. Leurs interactions complexes sont interprétées via un modèle conceptuel, lequel décrit les fractures parsemant le bouchon de lave comme responsables du dégazage du système, et en retour des signaux sismiques et radar collectés (ces derniers dépendants de la charge en cendres des émissions de gaz). Par ailleurs, nous investiguons la dynamique des émissions pyroclastiques à travers l'étude de radargrammes Doppler. La distribution spatio-temporelle de la vitesse des ejectas indique l'existence de deux phénomènes aux dynamiques distinctes. Des modélisations numériques permettant la reconstruction de signaux synthétiques indiquent qu'il s'agit de l'émission simultanée de blocs balistiques et de panaches de cendres. Une procédure d'inversion de type Monte Carlo couplée d'un algorithme d'optimisation permet de retrouver les radargrammes synthétiques qui reproduisent au mieux ceux observés. Les résultats apportent des contraintes sur divers paramètres éruptifs, tels que les tailles, trajectoires, vitesses des ejectas et des gaz, ainsi que la vitesse / direction de dispersion des panaches de cendres par le vent. Enfin, nous discutons du potentiel des radars Doppler appliqués à la surveillance opérationnelle des émissions volcaniques. En particulier, la possibilité de quantifier les masses éjectées dans l'atmosphère ou retombant sur les flancs du volcan, fournit des paramètres éruptifs à la source pouvant alimenter les modèles de dispersion de panaches de cendres.

Le géoradar est une méthode électromagnétique haute fréquence (>10 MHz) utilisé pour caractériser les premiers mètres du sous-sol. Lors de la présence d'une topographie, les données géoradar sont déformées en conséquence. Afin de retrouver la vraie géométrie des réflecteurs, nous avons codés un algorithme de migration prenant en compte la topographie. La méthode est démontrée grâce à un modèle synthétique simple, puis testée avec succès sur des données réelles. Les algorithmes de migration apportent cependant du bruit dans les données. Pour pallier à ce problème, deux méthodes ont été mises en place : la première, inhérente à la migration, permet de réduire l'aliasing dit sur l'opérateur. La deuxième est un filtre ré-interpolant les traces en se basant sur un profil de pendage. Les deux méthodes suppriment un bruit incohérent des données mais dégradent les profils lorsqu'utilisées abusivement. Dans un deuxième chapitre, nous avons appliqués avec succès le géoradar dans un contexte de paléo-sismologie en Mongolie. L'utilisation conjointe de deux fréquences (50 et 500 MHz) ainsi que des comparaisons avec des tranchées a permis d'obtenir des informations complémentaires sur les géométries et les déplacements potentiels le long de deux failles. Dans un dernier chapitre, nous avons appliqués les mesures géoradar sur les dépôts pyroclastiques du volcan Tungurahua en Equateur. A nouveau, l'utilisation jointe de différentes fréquences (250, 500 et 800 MHz) nous permet d'imager efficacement les dépôts. Les unités principales sont mises en évidence avec l'antenne de 250 MHz et les architectures des dépôts sont observables avec les antennes de 500 et 800 MHz
Georadar is a high frequency (>10MHz) electromagnetic method used to prospect near surface. When a topography is present, GPR images are distorted. To restore the true geometry of reflexions, we coded an migration algorithm which takes the topography into account. The method is first demonstrate on a simple synthetic model, and then succesfully applied on real data. However, migration algorithms bring noise to the data. Two methods have then been tested to avoid and remove it. The first one is inherent to the migration algorithm and reduce what is called operator's aliasing. The second one is a filter re-interpolating traces based on a profile containing the slope. Both methods remove inconsistent noise when used with caution, but decrease their quality when used with excess: reflexions presenting dip are the first to be deteriorated, as well as reflexions below strong topography. In a second chapter, we successfully used GPR in a paleo-sismology context in Mongolia. The use of two frequencies (50 and 500 MHz) as well as comparison with trenches bring complementaries informations on the geometry and possible offset along two faults. In the last chapter, GPR was tested over pyroclastic deposits from the Tungurahua volcano in Ecuador. Again, the combination of several frequencies (250, 500 and 800 MHz) has proven its efficiency. Main units were obvious with the 250 MHz antenna while the inner architecture of deposits was visible with the 500 and 800 MHz antenna

Ce trapp est constitué d'agglomérats de tufs à lapille et à cendres. Les fragments lithiques qu'il contient sont principalement des basaltes et des andésites. L'étude chimique met en évidence d'une évolution par cristallisation fractionnée accompagnée par des processus d'accumulation de cristaux. Le trapp présente des caractères calco-alcalins. L'étude geotechnique permet de souligner l'excellente résistance aux chocs et à l'usure des granulats du trapp

Les nuées ardentes constituent l'un des plus redoutables phénomènes volcaniques. Trois des plus récentes d'entre elles, en contexte de marge active (Santiaguito au Guatemala) ou d'arcs insulaires (Soufrière de Saint-Vincent aux Antilles et Merapi en Indonésie), sont choisies en exemples d’études. Leurs dynamismes volcaniques diffèrent : la Soufrière de Saint-Vincent émet des nuées ardentes verticales, le Santiaguito des nuées ardentes dirigées et le Merapi des nuées d'avalanches. Leurs pétrographies et leurs minéralogies sont celles des séries andésitiques, mais certaines nuées (Saint-Vincent) recèlent, en plus, une paragenèse calce-alcaline profonde. Les verres, abondants dans les nuées ardentes, présentent une variété chimique, qui, parfois, témoigne d'un mélange de magmas. Leurs morphologies (MEB), ponceuses ou massives et anguleuses, diffèrent selon qu'il s'agit de verres juvéniles, ou de verres anguleux, provenant de la pulvérisation de la mésostase d'anciennes laves. Les nuées ardentes d’explosion ont une granulométrie spécifique, différente notamment de celles des nuées d'avalanches. Cinq types de nuées ardentes sont distingués : 1. Les nuées d'avalanches : (1a) le type Merapi, issu de la pulvérisation d'un dôme entièrement solide et (1b) le type Arenal, issu de la pulvérisation d'un dôme dont l'intérieur est encore liquide. 2. Les nuées ardentes sensu stricto : (2a) le type Santiaguito, où l'apport de magma juvénile est faible, l'explosivité résultant de la richesse en fluides d'une lave acide visqueuse (dacite), (2b) le type Pelée, nuée dirigée, associée à un dôme et (2c)le type Saint-Vincent, nuées verticales à partir d'un cratère ouvert, le magma juvénile basique intervenant en quantité importante. Parmi toutes les causes favorisant le déclenchement des nuées ardentes (contrôle tectonique, cumulation et flottation dans la chambre magmatique, résistance du toit du volcan), deux facteurs jouent un rôle prépondérant : les hautes teneurs en éléments volatils (eau essentiellement, d'origine profonde ou superficielle) et les mélanges de magmas. Ces deux facteurs modifient les conditions thermodynamiques régnant dans la chambre magmatique et favorisent la vésiculation des magmas. Si un mélange de magmas est responsable des nuées (2b) et (2c), les fortes teneurs en fluides induisent plutôt le déclenchement des nuées (1a), (1b) et (2a)
Nuées ardentes are one of the most hazardous volcanic events. Three of these most recent volcanic events are studied. They were chosen in an active margin (Santiaguito, Guatemala), as well as in island arcs (St. Vincent Soufrière Volcano, West-Indies and Merapi, Java). Volcanic styles are different: St. Vincent Soufrière Volcano produces vertical nuées ardentes, Santiaguito low angle nuées ardentes, and Merapi collapse nuées ardentes. Their petrography and mineralogy are typical of andesitic trends. In addition, some nuées ardentes (St. Vincent) contain high pressure calk-alkaline paragenesis. Glasses are abundant in nuées deposits. Their chemical variations testify sometimes for magma-mixing. Two types of glass morphology can be distinguished (SEM) angular fragments are considered as old pulverized mesostases, and pumiceous glasses are considered as products of new magma. Grain sizes of nuée ardente deposits are specific and finer than collapse deposits. Five types of nuées ardentes are distinguished: 1. Collapse nuées ardentes: (1a) Merapi type, resulting of the explosion of a solid dame, and (1b) Arenal type resulting of the explosion of a dame with a liquid interior. 2. Explosion nuées ardentes: (2a) Santiaguito type: a small amount of new magma is produced and high explosiveness is essentially due to abundant volatiles in dacitic magmas, (2b) Pelée type, with law angle nuée related to a dome, and (2c) St. Vincent type with vertical nuée ardente ejected from an open crater. In the last type, large amounts·of basic new magma are produced. Several factors may play a role in the nuée ardente triggering tectonic control, cumulative and flotation processes of phenocrysts in magmatic chamber, breaking strength of the volcano-plug etc. Two of these factors play a more significant role high volatile contents (essentially water of deep or superficial origin), and magma-mixing. These two factors modify the thermodynamical conditions in the magmatic chamber and facilitate the magma vesiculations. Magma-mixing triggers (2b) and (2c) nuées types, and high fluid contents trigger (1a), (1b) and (2a) nuées types

L'evolution du strato-volcan du cantal entre 13 et 3 ma, est jalonnee par le depot de formations pyroclastiques. Les caracteristiques et les relations spatio-temporelles de ces differentes formations demeuraient mal connues. La sedimentation pyroclastique resulte principalement de coulees pyroclastiques denses, mais aussi de deferlantes hydroclastiques et de retombees pyroclastiques. Ces materiaux sont remanies distalement. L'analyse des parageneses minerales juveniles (feldspaths, pyroxenes, amphiboles, biotites) autorise des correlations et confirme que l'empilement des depots pyroclastiques resulte de multiples episodes explosifs lies a divers magmas ayant subi des evolutions differentes. C'est ainsi que les amphiboles des depots de la partie sud du volcan apparaissent plus riches en potassium que celles de la partie nord. L'anisotropie de la susceptibilite magnetique permet d'etablir que les ecoulements pyroclastiques ont ete canalises dans des vallees au niveau du talus volcanoclastique. Les datations radiochronologiques nouvelles (methode 4 0ar/ 3 9ar par fusion laser) corroborent la multiplicite des evenements explosifs qui sont concentres sur une periode comprise entre 8,5 et 7,5 m. A. , et confirment les correlations proposees par d'autres approches. Ainsi, les depots cendro-ponceux du cantal resultent de nombreux episodes explosifs d'ampleur modeste. Ils sont les temoins de la croissance rapide et polyphasee d'un cone central entre 8,5 et 7,5 m. A. Cette croissance est interrompue par des destabilisations successives qui generent des avalanches de debris. L'existence d'une phase paroxysmale unique accompagnant l'effondrement d'une vaste caldera centrale ne peut plus etre invoquee.

La nature des roches volcaniques contemporaines de la sedimentation permet de definir des "ambiances volcaniques". Celles-ci conduisent a l'etablissement d'une volcano-stratigraphie. On reconnait ainsi dans les vosges du sud ou l'etude est focalisee, trois grands ensembles de series : les series inferieures associees a un volcanisme bimodal de type basalte-rhyolite, les series moyennes associees a une activite andesitique et les series superieures dont le volcanisme evolue depuis des trachy-andesites jusqu'a des rhyodacites. L'histoire geologique du bassin des vosges du sud presente de nombreuses analogies avec les autres bassins de la zone moldanubienne (nord du massif central francais, sud de la foret noir). Tous ces bassins se developpent sur une croute continentale et pourraient etre controles par des mouvements transcurrants de la collision varisque.

Les dômes de lave du Merapi (Java, Indonésie) s'accumulent au sommet du volcan et se détruisent régulièrement sous forme d'écoulements denses, associés parfois à des déferlantes pyroclastiques. Ce genre d'éruption représente un risque majeur pour les populations. Les éruptions étant souvent imprévisibles, il nous fallait comprendre leur origine en établissant un modèle d'éruption à partir d'observations de terrain couplées à des simulations numériques théoriques. La genèse des écoulements denses comme celle des déferlantes s'explique par l'effondrement gravitaire de dômes très pauvres en gaz. Les déferlantes ne se produisent que lorsque s'effondre un dôme actif, âgé au maximum de 1 à 2 ans. Une nouvelle méthode de quantification de la dynamique des déferlantes, à partir de l'étude statistique des dégâts, nous a permis de démontrer qu'elles sont issues en continu des écoulements à blocs-et-cendres et que leur puissance est liée a la topographie. Afin d'acquérir des données précises sur la dynamique des dômes actifs, nous avons mis au point une surveillance aérienne du sommet avec reconstitution précise par stéréophotogrammétrie numérique de la zone sommitale ainsi que de l'ensemble des déplacements de sa surface. En couplant l'ensemble des données recueillies a des simulations thermo-mécaniques réalisées grâce au logiciel FLAC, nous avons montré qu'il est possible de reproduire l'évolution des dômes du Merapi à partir d'un modèle où la pression du système magmatique augmente régulièrement aux alentours de 1000 Pa. J-1 lorsque le dôme commence a figer. Les caractéristiques de l'éruption qui va suivre dépendent de l'antagonisme entre l'augmentation de pression magmatique et le refroidissement du dôme. Si la pression dépasse la résistance du dôme avant qu'il ne soit complètement figé, celui-ci s'effondre en engendrant des déferlantes. Si le refroidissement est plus rapide, le dôme se fige, empêchant la pression de se propager en son sein et d'atteindre une valeur critique.

L'etude des formations volcaniques associees au bassin stephanien de la chapelle-sous-dun (charollais) permet de preciser les relations entre phenomenes magmatiques et post-magmatiques d'une part, et les indices ou anomalies geochimiques (u. F. ) d'autre part. Les formations volcaniques font partie d'un ensemble plutono-volcanique complexe. La localisation de ces phenomenes est guidee par le contexte structural et, en particulier, l'existence de zones de type pull-apart dans un contexte compressif generalise. Les phenomenes post-magmatiques, en particulier la devitrification des roches volcaniques, sont fonction des natures lithologiques initiales. Les phenomenes d'evolution post-magmatique de la pile volcanique ont amene une liberation de l'u et son piegeage dans les biotites chloritisees, elles aussi associees aux processus secondaires. Toutefois, le mecanisme du piegeage de l'u n'a pu etre precise. Des phenomenes limites de remobilisations hydrothermales ou supergenes peuvent etre a l'origine des indices reconnus dans le stephanien

Durant les trois années de la thèse, j’ai eu le plaisir de travailler en collaboration avec à la fois des volcanologues, des physiciens de laboratoire et des mathématiciens. Ce mémoire est l’occasion de présenter la démarche et les résultats de mes recherches dans le domaine de la modélisation d’écoulements granulaires denses fluidisés. Ces derniers consistent à développer un nouveau modèle mathématique et son étude théorique et numérique. Sur la base d’observations faites lors d’expériences de laboratoire, nous proposons une façon de modéliser le changement comportemental d’un écoulement granulaire initialement fluidisé au travers de la définition de sa rhéologie viscoplastique à seuil variable. Plus précisément, le seuil de plasticité est défini par la différence entre la pression lithostatique et la pression du fluide interstitiel. La nouveauté apportée par ce modèle ouvre de nouvelles perspectives à la fois pour le champ de recherche en mathématiques et pour la compréhension des lits granulaires fluidisés et leur application à la volcanologie. Du point de vue mathématique, une étude théorique du modèle a été menée. En proposant une preuve de l’existence de solutions faibles à un problème lié à la version homogène du modèle, nous apportons une extension au champ de connaissances autour des écoulements des fluides non-newtoniens. D’autre part, dans le but de reproduire numériquement des expériences de laboratoire de chute de colonne granulaire fluidisée, nous avons développé un code de simulation numérique incluant une nouvelle méthode de résolution des équations d’écoulement de fluides à seuil. Dans ce manuscrit, je décris et justifie les différents choix stratégiques pour le développement de ce code. Par ailleurs, je présente quelques tests académiques permettant de valider le code. Enfin, je donne les résultats de simulation de chute de colonne granulaire, qu’elle soit fluidisée ou non. Une comparaison avec les données de laboratoire est effectuée afin d’évaluer les points forts et les défauts du modèle par rapport à la réalité des expériences. En conclusion, dans la continuité du travail mené dans ce projet, des perspectives d’amélioration sont proposées
During these three years, I enjoyed to work with collaborators from volcanology, laboratory physics and mathematics. This document presents the steps and results of my research in the field of modelling of fluidised granular flows. The last consists in the development of a new mathematical model and its theoretical and numerical study. Based on observations made on experimental studies, the model focuses on the change in the behaviour of an initially fluidised granular flow through the definition of its viscoplastic rheology with variable threshold. More precisely, the threshold (aslo called yield stress) is defined via the difference between the lithostatic pressure and the pressure of the interstitial fluid. The innovation of this model opens perspectives for the mathematical research as well as for the study of fluidised granular flows and their application to volcanology. From a mathematical point of view, a theoretical study has been conducted. Proving the existence of weak solution for the homogeneous version of the model, we offer an extension in the field of knowledges of non-newtonian fluid flows. Also, we have developped a numerical code to simulate dambreak experiments with fluidised granular media. This one includes a new method to solve the flow equations of viscoplastic fluids. In this thesis, I describe and justify the numerical strategy chosen. Moreover, I present some academic tests to validate the code. At the end, I give the numerical results in the case of the dambreak simulation for dry and fluidised fluids. By comparing with experimental data, we evaluate the validity of the model and its resolution, and highlight the advantages and inconvenients. To conclude the project, I propose some perspectives of improvement for later work

Étude des couvertures pédologiques complexes des versants des dépressions andines qui sont organisées en climatoséquences et développées à partir de pyroclastiques. On retrouve des andosols, des ferrisols (sombritropepts, sombrihumults), brunizem (argiudolls, arguistolls) et des planosols (haplustalfs, naturstafs). Tout le long du profil le cortège argileux est constitué d'halloysite. Les facteurs intensifiant le lessivage vers l'aval sont étudiés. Dans les couvertures anciennes des caractères polygénétiques sont décelables dans certains profils de planosols. Une étude des isotopes stables du carbone permet d'établir le sens des variations paléoécologiques et paléoclimatologiques

L'effet de la végétation locale, composée de Castanea sativa cultivé, sur la stabilité des pentes a été étudié sur un site d'essai au Mont Faito (Campanie, Italie). En Campanie, les sols pyroclastiques peu profonds sont sensibles aux glissements de terrain provoqués par les précipitations. Des périodes de pluies prolongées suivies de précipitations extrêmes à court terme déclenchent des glissements de terrain rapides et destructeurs au niveau des coupes routières et des escarpements pyroclastiques sur les falaises rocheuses dans les régions autour du volcan Vésuve.Des échantillons de sol pyroclastiques non perturbés contenant des racines de C. sativa matures ont été utilisés pour la caractérisation hydraulique par le biais d'un ensemble d'expériences en laboratoire. La perméabilité saturée, la réponse à l’évaporation et l’imbibition, la teneur en eau pour les fortes valeurs de succion et la biomasse sèche des racines ont été déterminées.La présence de racines a augmenté la perméabilité d'un ordre de grandeur dans les sols les plus superficiels (10-7 à 10-6 m s-1) et diminué la valeur d'entrée d'air des courbes de rétention (6 à 4 kPa). La variabilité de la perméabilité entre les couches de sol a été identifiée comme conditionnant l'écoulement de l'eau souterraine par rapport à la vitesse du mouvement du front de mouillage et à la génération de pressions positives de l'eau interstitielle dans le profil. L'étalonnage du modèle hystérétique pour caractériser les sols pyroclastiques naturels a fourni une méthode plus approximative de modélisation des réponses hydrauliques. Une bonne concordance entre le modèle et les observations a été obtenue.L’étude sur le terrain a permis de montrer que la distribution des racines de C. sativa est associée au régime des eaux souterraines. Les distributions spatiales et verticales de la densité et des traits des racines ont été quantifiées pour les racines de C. sativa prélevées dans des forages réalisés au Mont Faito. La succion minimale, la teneur minimale en eau et la pente minimale (indiquant un débit d'eau descendant) ont été surveillées tout au long de l'année et confrontées avec la distribution des racines et à la distribution spatiale des arbres. Une densité racinaire croissante était associée à des valeurs de succion plus faibles et à des gradients d'infiltration plus élevés, ce qui peut avoir une influence négative sur la stabilité de la pente.La modélisation du renforcement mécanique du sol par les racines des arbres a permis de comprendre l'importance des composantes hydrauliques et mécaniques sur la stabilité d'une pente. Les racines augmentent la résistance au cisaillement (jusqu'à 25,8 kPa) grâce à un renforcement mécanique et donc le facteur de sécurité de la pente augmente. L'examen du renforcement dû aux racines dans l'estimation du facteur de sécurité des surfaces de rupture potentielles a montré que la surface de rupture la plus faible a été trouvée à 2,2 m, où le renforcement dû aux racines était de 1,3 kPa, au lieu de 0,9 m sans le renforcement de 13,8 kPa. La surface de rupture la plus faible correspond aux surfaces de rupture observées lors de glissements de terrain antérieurs. Le site d'essai ne présentait pas les caractéristiques d'une zone de déclenchement d'un glissement de terrain. L'angle de pente des zones de déclenchement des glissements de terrain (35° à 45°) peut dépasser l'angle de frottement du sol (36,5° à 38,5°) et l'effet hydraulique ne serait pas suffisant pour garantir la stabilité de la pente pendant la saison humide (0 à 10 kPa). On estime que le renforcement dû aux racines peut maintenir les pentes jusqu'à un angle de 42°.On a donc constaté que la présence de racines d'arbres affectait la stabilité hydraulique et mécanique des couvertures de sol pyroclastiques. Ces conclusions peuvent être étendues aux autres zones de plantations de C. sativa. L'effet hydraulique de la végétation a été largement compensé par le renforcement mécanique dû aux racines
The effect of the local vegetation, composed of cultivated Castanea sativa, on slope stability was investigated on a test site in Mount Faito (Campania, Southern Italy). In Campania, shallow pyroclastic soil covers are susceptible to landslides triggered by rainfall. Prolonged rainfall periods followed by extreme short-term rainfall events trigger fast moving and highly destructive landslides in road cuts and pyroclastic scarps on rocky cliffs in the areas surrounding the Vesuvius volcano.Undisturbed pyroclastic soil samples containing roots of mature C. sativa were used for hydraulic characterization through an extensive set of laboratory experiments. Saturated permeability, evaporation and imbibition response, water content for high suction ranges, and the root dry biomass were determined.The presence of roots increased the hydraulic permeability by one order of magnitude in the most surficial soil (10-7 to 10-6 m s-1) and decreased the air-entry value of the water retention curves (6 to 4 kPa). The variability of soil permeability among soil layers was identified as conditioning of the groundwater flow with regard to the speed of the wetting front movement and generation of positive pore-water pressures within the soil profile. The calibration of hysteretic model to characterize natural pyroclastic soil provided a more approximate manner of modelling in situ hydraulic responses. A good agreement between the model and the field observations was obtained.Field monitoring was performed with the intent of showing that the distribution of roots of C. sativa is associated to the groundwater regime. The spatial and vertical distribution of root density and traits were quantified for C. sativa roots collected from several boreholes performed in Mount Faito. Minimum suction, minimum water content and minimum gradient (indicative of downward water flow), were monitored throughout the year and related to root distribution and spatial distribution of trees. An increasing root density was found to be associated to lower values of suction and higher gradients of infiltration, which can potentially have a negative influence of the slope stability.A modelling investigation on the mechanical reinforcement of soil by tree roots allowed us to understand the importance of hydraulic and mechanic components on the stability of a slope. Roots increase greatly the shear strength of soil (up to 25.8 kPa) through mechanical reinforcement and consequently, the safety factor of the slope increased significantly. Considering the root reinforcement in the estimation of potential failure surfaces safety factor showed that the weakest failure surface was found at 2.2 m, where the root reinforcement was 1.3 kPa, instead of 0.9 m without the root reinforcement of 13.8 kPa. The weakest failure surface found was in agreement with the failure surfaces observed from previous landslides. The test site did not present the characteristics of a landslide triggering area. The slope angle of the landslide triggering areas (35° to 45°) can easily exceed the soil friction angle (36.5° to 38.5°) and the hydraulic effect would not be enough to guarantee the stability of the slope during the wet season (0 to 10 kPa). However, the root reinforcement was estimated to be able to sustain the slopes until an angle of 42°.Therefore, the presence of tree roots was found to affect hydraulically and mechanically stability of pyroclastic soil covers. Such conclusions may be extended to the areas of Campania where C. sativa plantations are present. The hydraulic effect of vegetation was greatly compensated by the mechanical reinforcement of roots

Des mélanges de gaz et de particules sont présents dans divers environnements géophysiques. De tels mélanges chauds sont générés par des éruptions volcaniques explosives et comprennent des écoulements de conduit, des jets et des panaches, ainsi que des courants de densité pyroclastiques. La concentration de particules dans ces mélanges volcaniques peut varier fortement, allant de concentrations élevées (>50 % en volume) dans les écoulements denses fluidisés à des concentrations très faibles dans les suspensions diluées dans lesquelles les particules sont mises en suspension par la phase gazeuse turbulente. Une limite de concentration inférieure à ~% en volume dans les suspensions diluées a été suggérée par des études récentes, car des concentrations plus élevées nécessiteraient une énergie cinétique turbulente excessive. L'objectif principal de cette thèse est d'étudier expérimentalement le comportement d'un écoulement d'air turbulent dans un cylindre avec des concentrations de particules croissantes, pour différents nombres de Reynolds et en utilisant différents types de particules. Les nombres de Reynolds des mélanges gaz-particules dans les expériences atteignaient ~106. Une première série d'expériences a été menée avec des billes de verre de différentes tailles allant de 75-80 μm jusqu'à 2 mm, pour un total de huit tailles de particules. Au-dessus d'un seuil de concentration moyenne de 0.5-3 % en volume, qui augmentait avec le nombre de Reynolds, le comportement de l'écoulement a montré une transition d'une suspension homogène de particules (sous la concentration maximale) vers une séparation en une partie basale dense et une partie supérieure diluée contenant la concentration maximale des particules. Ce seuil de concentration a été détecté à l'aide de mesures de pression et d'une méthode impliquant une sphère dont la densité était légèrement inférieure à la densité apparente des particules et qui pouvait donc flotter au-dessus de la partie basale dense, si celle-ci était présente. Des vidéos à haute vitesse ont révélé que l'apparition de la concentration maximale de particules coïncidait avec l'émergence d’amas de particules dans la partie turbulente diluée. Dans une deuxième partie de la thèse, les expériences ont été répétées pour cinq gammes de tailles de particules de céramique et elles ont révélé le même comportement général que pour les billes de verre. Pour les deux types de particules, une concentration maximale a pu être détectée pour presque toutes les tailles de particules et a montré une augmentation avec le nombre de Reynolds à la puissance 1/5 (billes de verre) ou 0.4 (billes de céramique). Compte tenu du nombre de Reynolds des particules, la concentration maximale des particules augmente ensuite jusqu'à la puissance de 1/6 pour les particules de céramique et de verre. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives sur la structure des mélanges gaz-particules volcaniques et ils fournissent également des contraintes pour les données d'entrée et de sortie des simulations numériques et pour les observations géophysiques
Mixtures consisting of gas and particles can be found in various geophysical environments. Hot mixtures are generated by explosive volcanic eruptions and include conduit flows, jets and buoyant plumes, and pyroclastic density currents. The particle concentration within these volcanic mixtures can vary highly, from high concentrations (>50 vol. %) in dense fluidized flows to very low concentrations in dilute suspensions in which the particles are suspended by the turbulent gas phase. A concentration limit of less than ~1 vol. % in dilute suspensions was suggested by recent studies, as higher concentrations would require excessive turbulent kinetic energy. The main objective of this thesis was to investigate experimentally the behavior of a turbulent air flow in a pipe with increasing particle concentrations, for different Reynolds numbers and using different types of particles. The Reynolds numbers of the gas-particle mixtures in the experiments were up to ~106. A first set of experiments was conducted with glass beads of varying sizes from 75-80 μm up to 2 mm, for eight particle size ranges in total. Above a bulk concentration threshold of ~0.5-3 vol. %, which increased with the Reynolds number, the flow behavior changed from a homogeneous suspension of particles (below the maximum concentration) to a separation into a dense basal part and an upper dilute part carrying the maximum concentration of particles. This concentration threshold was detected with pressure measurements and a method that involved a ball of a slightly lower density than the bulk density of the particles, which could thus float over the dense basal part, if present. High-speed videos revealed that the occurrence of the maximum particle concentration coincided with the emergence of particle clusters in the dilute turbulent part. In a second part of the thesis, the experiments were repeated for five ceramic particle size ranges and they yielded the same general behavior as for the glass beads. For both types of particles, a maximum concentration could be detected for almost all particle size ranges and showed an increase with the mixture Reynolds number to the power 1/5 (glass beads) or 0.4 (ceramic beads). Considering the particle Reynolds number the maximum particle concentration then increase to the power 1/6 for both ceramic and glass particles. These results give new insights about the structure of volcanic gas-particle mixtures and they also provide constraints for input and output data of numerical simulations and for geophysical observations

1) Nous évaluons les aspects dynamiques de dégazage et perméabilité dans les magmas au moyen d'expériences haute pression et température sur des roches naturelles. Le dégazage est mesuré par l'influence du taux de décompression sur la croissance des bulles de gaz contenues dans le magma et la perméabilité par l'évolution temporelle de la coalescence de ces bulles. La mise en paramètre de nos résultats dans un modèle numérique de conduit volcanique montre que les modèles précédents basés sur un dégazage en équilibre surestiment significativement l'accélération et le taux de décompression du magma. L'estimation des effets de la perméabilité montre que la transition entre les éruptions effusives et explosives est fortement contrôlée par la vitesse initiale de remontée du magma.
2) Nous unifions les deux visions de courants pyroclastiques admises (coulées pyroclastiques hautement concentrées et nuées ardentes diluées et turbulentes) grâce à des lois d'échelle basées sur la physique multiphasée. A partir la dynamique de l'interaction de particules avec un vortex élémentaire, nous considérons le spectre complet des vortex générés dans un écoulement turbulent. Nous démontrons que la présence de particules de tailles différentes force la stratification en densité du courant, puis nous expliquons le mécanisme de ségrégation des courants pyroclastiques en une partie basale concentrés surmontée d'une partie diluée. Comme l'interaction d'un courant avec des reliefs montagneux ou des corps aqueux s'enregistre dans ses dépôts, nous avons étudié les produits de la dernière grande éruption du volcan Okmok (Iles Aléoutiennes, USA). Au-delà de la reconstruction du déroulement de l'éruption, cette étude de terrain a permis de valider les aspects principaux du modèle, comme la superposition d'un courant dense et dilué, leur séparation lors de l'entrée dans l'océan et les caractéristiques des particules qui les constituent.

Cette étude est effectuée dans la zone de suture panafricaine de Bou Azzer-EI Graara (Anti-Atlas, Maroc). Elle s'articule en deux volets: d'une part, l'étude géologique et géodynamique du Précambrien Terminal (III) qui sert de support aux traitements statistiques de l'information géochimique de prospection récoltée dans le district de Tamdrost-Ambed d'autre part. 1) Un découpage lithostratigraphique des formations volcaniques du PIII est obtenu grâce à la cartographie détaillée au 1/4000e du district de Tamdrost-Ambed et aux coupes géologiques levées en d'autres points de la boutonnière. Ceci a permis d'établir une coupe synthétique et des corrélations lithostratigraphiques. L'étude pétrographique des roches volcaniques à prédominance pyroclastique de cette série montre leur rattachement à un magmatisme calco-alcalin, d'âge compris entre 580 et 560 Ma, dont la signification est discutée dans le cadre géodynamique régional. L'analyse structurale des formations volcaniques et volcano-sédimentaires du Précambrien III, conduit à la mise en évidence de déformations synvolcaniques en régime distensif (NW -SE) et à la détermination des paléochamps de contraintes associés aux déformations observées. Le modèle d'extension proposé implique des mouvements de coulissement senestres le long de grands décrochements régionaux parallèles à la suture, entre le craton ouest-africain et le domaine panafricain "mobile". II) Le traitement des données géochimiques (13000 analyses de 10 éléments majeurs et 24 éléments en traces par Spectrométrie d'émission) aboutit à la mise en évidence d'anomalies élémentaires et multiélémentaires significatives d'indices miniers, indépendants de la lithologie. Ce résultat passe par l'étude de la qualité des données géochimiques qui a conduit à l'évaluation de la précision et à l'application d'une correction empirique de l'erreur analytique. L'analyse statistique des données de prospection est effectuée en plusieurs étapes: - l'utilisation de la technique non conventionnelle "box and whiskers" pour la détermination des seuils anomaux, toutes lithologies confondues; -la diversité lithologique est simplifiée par analyse factorielle en composantes principales sur les médianes pour aboutir à quatre groupes lithologiques au lieu des 32 distingués sur le terrain; . - une analyse discriminante sur ces quatre groupes, désormais connus, aboutit à un modèle factoriel du fond géochimique qui explique mieux les variations liées à la lithologie; - le fond géochimique modélisé est retranché par régression factorielle pour faire apparaitre les anomalies discordantes. Des cartes de synthèse des anomalies multiélémentaires sont établies dans le but d'orienter les campagnes de sondage.