Dynamics of granular flows in volcanic environments : Insights from analysis of natural deposits and analogue experiments

Dynamique des écoulements granulaires volcaniques : enseignements tirés de l'analyse des dépôts naturels et des expériences analogiques Les écoulements granulaires denses dans les environnements volcaniques proviennent de divers processus tels que l'effondrement de dômes de lave, de colonnes éruptives ou encore d'édifices volcaniques, et se produisent respectivement sous forme de courants de densité pyroclastiques (PDC, par son acronyme en anglais) ou d'avalanches de débris.Cette thèse étudie les conditions menant à la formation de digitation granulaires et des structures de rides associées sur des écoulements granulaires polydisperses. Une première approche est consacrée aux observations de terrain et à l'échantillonnage dans les dépôts d'écoulements massifs volcaniques avec des rides subparallèles et régulièrement espacées au volcan Tutupaca dans le sud du Pérou. L'analyse des dépôts a été effectuée dans dix tranchées creusées dans des rides longitudinales, dans les zones médiales et distales des dépôts de PDC dérivés de l'effondrement des dômes. Une caractéristique principale de ces rides est le tri latéral et vertical de la taille des particules. Les fractions grossières (blocs et mégablocs) sont fortement concentrées vers le cœur des rides, tandis que leur concentration diminue progressivement vers les canaux inter-rides composés principalement de cendres moyennement grossières et de lapilli. Cette variation latérale de la taille des particules à travers des rides est omniprésente dans tous les dépôts, quelle que soit la distance de la source. Le tri vertical de la taille des particules montre une gradation inverse dans les cœurs de rides, alors qu'une gradation normale est observée dans les chenaux inter-rides. Ces observations sur le terrain suggèrent que les rides longitudinales résultent de la ségrégation des particules et de la formation de levées et de chenaux, tandis que les coulées volcaniques mères se sont propagées vers le bas de la pente dans les zones ouvertes et non contraintes.Une deuxième approche considère des expériences en laboratoire avec des matériaux polydisperses représentatifs des écoulements naturels. Une analyse statistique des résultats révèle comment les paramètres initiaux (gamme de taille des particules, volume du matériau et angle de pente) contrôlent la digitation granulaire et les dépôts associés. Les résultats indiquent que les écoulements granulaires nécessitent un angle de pente critique (24° - 30° pour les billes de verre) et un volume critique (nécessaire pour s'écouler vers le bas) pour former des motifs en forme de doigts. Dans ces conditions, la formation de doigts se produit quelle que soit la distribution de la taille des particules. Trois étapes caractérisées par des changements dans la vitesse d'écoulement sont identifiées pour ces écoulements granulaires : la ségrégation des particules, puis l'accumulation de particules au niveau du front d'écoulement et enfin l'émergence de la digitation. L'analyse statistique montre que l'angle de la pente et le volume ont les effets les plus marqués sur la distance d'apparition de la digitation. L'angle de pente a également un effet important sur la longueur, la largeur et l'épaisseur des doigts. Le volume de l'écoulement est positivement corrélé à la longueur et à la largeur des doigts. La distribution de la taille des particules a un effet modéré sur la morphologie des dépôts de digitation, tandis que la vitesse d'écoulement initiale n'a pas d'effet significatif. Dans les doigts coalescents, la longueur d'onde du doigt est égale à la largeur du doigt, et elle est contrôlée par le flux de volume et la polydispersité. Ces résultats suggèrent que la structure des dépôts de rides dans la nature peut être prise en compte pour déduire les paramètres de l'écoulement parental, tels que la vitesse du front du doigt. Ils peuvent également être utilisés pour tester des modèles numériques et mieux contraindre les scénarios éruptifs pour l'évaluation des risques volcaniques.