Mise en place des écoulements granulaires volcaniques Apport du couplage terrain / modélisation numérique
Abstract
Les écoulements pyroclastiques et les avalanches de débris sont constitués de particules dont les
tailles varient de celles des cendres fines à celles de blocs souvent supérieurs au mètre cube. Ces
mélanges de particules, qui interagissent probablement avec des gaz volcaniques et atmosphériques,
ont un comportement physique particulièrement complexe. Un des défis majeurs est d’expliquer par
quels mécanismes ils deviennent si fluides, capables de s’écouler sur de grandes distances (plusieurs
kilomètres à dizaines de kilomètres) avec des épaisseurs relativement faibles (quelques décimètres à
dizaines de mètres).
Pour cerner le comportement rhéologique global de tels écoulements, l’approche menée dans ce
mémoire consiste à sélectionner des évènements naturels suffisamment bien préservés ou observés
pour avoir le maximum de contraintes possibles sur les conditions initiales : débit, volume,
topographie, direction d’écoulement, etc. Puis, ces écoulements sont reproduits par simulation
numérique en testant des modèles simples de comportement (Coulomb, visqueux, Bingham, etc.), le
modèle retenu étant celui qui reproduit au mieux les phénomènes naturels (épaisseurs, extensions,
distances atteintes, vitesses, etc.)
Toutes les simulations réalisées convergent vers la même conclusion : les écoulements granulaires
naturels ne se comportent pas comme des écoulements granulaires en laboratoire. Ils ne suivent pas
une loi Coulomb quelle que soit la valeur de l’angle de frottement utilisée. En revanche, un
comportement plastique donne souvent des résultats très proches de la réalité. Il permet de
reproduire la mise en place de la plupart des avalanches de débris et des écoulements pyroclastiques
étudiés. Il reproduit la morphologie à lobes et levées souvent observée sur le terrain. Il explique aussi
les structures de l’avalanche de Socompa (Chili) et fournit un cadre dynamique permettant d’aller plus
loin dans la compréhension de la formation des avalanches par des études de terrains de détails et des
études de géochimie fine.
Si le comportement plastique reproduit si bien les écoulements naturels, c’est que leur physique
est très probablement essentiellement contrôlée par une relation entre l’épaisseur des écoulements
et leur capacité à s’écouler. En revanche, cette relation est loin d’être comprise. Les conclusions des
travaux présentés ici démontrent la nécessité d’affiner et surtout de comprendre ce comportement
général. Il faudra développer des modèles numériques des interactions à l’échelle particules/gaz afin
d’éviter au maximum les hypothèses sur une rhéologie globale encore trop mal comprise. Pour
s’assurer que les nouveaux modèles reproduiront correctement la réalité, un effort important devra
être mené pour obtenir les données de terrain les plus quantifiées possibles sur les écoulements
naturels.
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