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Développement d’une approche intégrée pour la réduction des Risques Associés au Volcanisme EXplosif, de la recherche sur l’aléa aux outils de gestion de crise : le cas de la Martinique – RAVEX

Développement d’une approche intégrée pour la réduction des risques associés au volcanisme explosif, de la recherche sur l’aléa aux outils de gestion de crise : le cas de la Martinique

Les travaux menés dans le cadre du projet RAVEX visent à mieux comprendre les phénomènes volcaniques générés lors des éruptions explosives, depuis l’effondrement des fontaines éruptives qui génèrent des écoulements pyroclastiques jusqu’à la formation des tsunamis par interaction des écoulements avec l’eau en contexte littoral. Ces travaux sont complétés par une analyse de la perception du risque volcanique sur l’île de la Martinique.

Mieux comprendre les mécanismes des phénomènes volcaniques qui se produisent en chaîne lors des éruptions explosives et analyser la perception des risques associés.

Le projet RAVEX a pour objectif de développer une approche intégrée afin de réduire les risques associés au volcanisme explosif. Il est structuré en trois tâches dédiées à l’étude des aléas volcaniques, qui peuvent se produire en chaîne lors des éruptions explosives, et en une quatrième tâche transverse qui porte sur l’étude du risque en Martinique. La tâche 1 vise à étudier le couplage entre les parties ascendantes et descendantes d’une fontaine éruptive ainsi que l’effet des particules sur l’entrainement du fluide ambient, via la mise au point d’un modèle théorique et la réalisation d’expériences de laboratoire. La tâche 2 porte sur l’étude les mécanismes de formation des écoulements pyroclastiques par effondrement d’une fontaine, au moyen d’expériences de laboratoire, et sur le développement d’un modèle d’écoulement gaz-particules dense. La tâche 3 concerne les mécanismes de formation des tsunamis par les écoulements pyroclastiques et les échanges thermiques afférents. Le problème est étudié expérimentalement est théoriquement. La tâche 4 se nourrie des résultats des autres tâches afin d’élaborer des simulations d’éruptions et de tsunamis à la Martinique. Elle porte également sur l’analyse de la représentation du risque par les acteurs locaux sur l’île.

Des méthodes d’étude complémentaires sont employées par les participants du projet RAVEX. Le travail sur le terrain consiste à étudier les dépôts des éruptions et à collecter des échantillons afin de les analyser en laboratoire ; des enquêtes sont également menées auprès de la population de l’île de la Martinique afin d’évaluer la perception du risque par les habitants. Des expériences de laboratoire analogiques permettent d’étudier (i) la dynamique d’effondrement des fontaines éruptives et la formation des écoulements pyroclastiques qui en résultent, et (ii) les mécanismes d’interaction entre les écoulements pyroclastiques et une masse d’eau, qui peuvent mener à la formation d’un tsunami. Enfin, des modèles numériques permettent de simuler les phénomènes volcaniques à l’échelle de la Martinique et d’évaluer les zones qui peuvent être touchées par les produits.

Un modèle théorique 1D de colonne éruptive, prenant en compte l'effet des pyroclastes dans le piégeage du gaz et la sédimentation, a été développé pour préciser les conditions menant à l’effondrement d'un panache volcanique (tâche 1). Des expériences de laboratoire complémentaires ont permis de documenter le processus d’accumulation des particules à la zone d’impact et ont mis en évidence l’apparition d’une pression de fluide interstitiel dans l’écoulement émergent (tâches 1 et 2). La propagation de l’écoulement a été étudiée théoriquement en développant un code de calcul haute performance qui permet de simuler des écoulements denses biphasés, en captant notamment les zones rigides dans l’écoulement ainsi que l’interface avec le fluide ambient (tâche 2). Une autre étude expérimentale a conduit à identifier les lois d’échelles qui relie le degré de turbulence d’un écoulement dilué à la concentration des particules ; celles-ci sont applicables aux panaches et à la partie diluée des écoulements pyroclastiques. Les travaux relatifs à la tâche 3 ont porté sur la construction de dispositifs expérimentaux pour étudier le déclenchement des tsunamis par les écoulements pyroclastiques. Un prototype 2D a permis de procéder à des lâchés d’écoulements liquides dans de l’eau et d’étudier les caractéristiques de la vague ; les résultats ont été comparés à des simulations de type Navier-Stokes. Un second dispositif grande échelle (7 m) a été construit afin d’étudier dans la seconde partie du projet les mécanismes d’interaction entre un écoulement granulaire fluidisé et une masse d’eau. Les travaux sur le terrain à la Martinique (tâche 4) ont permis de préciser le rythme et les caractéristiques des éruptions pliniennes passées et d’identifier deux événements jusqu’alors inconnus. Des enquêtes et réunions de coordination et de communication ont été organisées afin d’évaluer les représentations et enjeux du risque volcanique en Martinique.

Plusieurs études complémentaires sont prévues pour la seconde partie du projet RAVEX. L’effet du vent sur les mécanismes d’effondrement de colonne sera pris en compte dans le modèle de fontaine éruptive. Une méthode de mesure de la concentration en particules par ondes acoustiques sera appliquée dans des expériences de laboratoire sur les mélanges biphasés denses ou dilués. Les expériences sur la formation des tsunamis seront menées pour étudier en détail les mécanismes qui opèrent lorsqu’un écoulement granulaire vient rapidement en contact avec un masse d’eau ; les lois d’échelle qui relient les caractéristiques des vagues créées aux propriétés de l’écoulement seront identifiées. Les travaux sur le terrain en Martinique seront poursuivis afin de préciser les caractéristiques des éruptions passées à partir de l’analyse de leurs produits, et l’action d’information auprès des acteurs susceptibles de prendre part dans la chaîne du risque sera poursuivie.

Revues à comité de lecture :
- Weit A., O. Roche, T. Dubois, M. Manga (2018). Experimental measurement of the solid particle concentration in geophysical turbulent gas-particle mixtures. Journal of Geophysical Research-Solid Earth, doi: 10.1029/2018

Le projet RAVEX propose de développer une approche intégrée pour réduire les risques associés au volcanisme explosif. Il associe des chercheurs spécialisés en physique des éruptions explosives et des chercheurs spécialisés dans l’étude des politiques publiques. Il sera mené par un consortium de laboratoires dont les domaines d’expertise sont reconnus sur le plan international et qui couvrent les disciplines des Sciences de la Terre et de l’environnement et des Sciences humaines et sociales. Le projet sera piloté par le Laboratoire Magmas et Volcans (Univ. Blaise Pascal-IRD, Clermont-Ferrand) qui aura pour partenaires le Laboratoire de Mathématiques (Univ. Blaise Pascal), l’Institut de Physique du Globe (Paris), le laboratoire des Sciences de l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie Electrique (Univ. Pau), Sciences Po (Paris) et le laboratoire Intégration et Coopération dans l'Espace Européen (Univ. Paris 3).

Nous étudierons, à l’aide d’expériences de laboratoire et de modèles théoriques, des phénomènes qui peuvent se produire en chaîne lors de la plupart des éruptions volcaniques explosives qui génèrent des mélanges gaz-particules chauds particulièrement dangereux : l’effondrement des fontaines volcaniques et les courants de densité pyroclastiques qui en résultent, et nous chercherons à comprendre comment ces courants peuvent générer des tsunamis dans des environnements côtiers.

(1) Nous étudierons comment le couplage complexe entre les parties ascendante et descendante d’une fontaine éruptive et les particules dans un jet peuvent contrôler le coefficient d’entrainement du fluide ambient, le paramètre clé pour déterminer la stabilité de la fontaine éruptive. Un nouveau modèle sera développé afin de prédire les caractéristiques du mélange gaz-particules formé à l’évent et il sera validé par des expériences de laboratoire dimensionnées.

(2) Dans une logique d’enchainement des phénomènes, nous ferons des expériences de laboratoire pour étudier les mécanismes d’accumulation des particules à la zone d’impact et de ségrégation dans les courants émergeants. La concentration en particules dans les écoulements sera mesurée à l’aide d’une nouvelle méthode acoustique. Nous développerons un modèle mathématique d’écoulement dense gaz-particules pour lequel une nouvelle méthode de résolution des équations sera proposée.

(3) Un troisième volet portera sur les mécanismes de déclenchement des tsunamis par les écoulements pyroclastiques. Nous ferons des expériences de laboratoire qui consisteront à faire impacter une masse d’eau par un écoulement granulaire fluidisé qui simulera un écoulement pyroclastique, une nouveauté par rapport aux études précédentes. Des simulations numériques avec un code multi-fluide qui prendra en compte les échanges thermiques et les changements de phase viendront en appui des expériences dont les résultats permettront en retour de valider les modèles.

(4) Les résultats de ces travaux permettront d’établir un cas d’étude. Nous nous intéresserons à la Martinique car c’est un lieu adapté pour étudier le volcanisme explosif et les tsunamis liés, et parce que le contexte de l’île et des caraïbes est intéressant pour l’étude des risques. Des simulations numériques d’écoulements et de tsunamis en configuration réelles seront réalisées pour créer des cartes d’aléas et de risques, et elles seront complétées par de nouvelles données de terrain. De nouvelles procédures seront développées pour transférer les connaissances aux différents acteurs et renforcer la stratégie de réduction des risques, ce qui requière d’identifier ces acteurs et leurs modes d’interaction. Nous étudierons les représentations des aléas, des vulnérabilités, des risques et de la science qu’ont les acteurs afin d’identifier et de contourner les éventuels blocages. Enfin, nous délivrerons des recommandations pour améliorer les stratégies scientifiques et politiques pour la réduction des risques.

Coordinateur du projet

Institut de Recherche pour le Développement - Laboratoire Magmas et Volcans (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Laboratoire des Sciences de l'Ingénieur Appliquées à la Mécanique et au génie Electrique
FOND NAT DES SCIENCES POLITIQUES
Intégration et Coopération dans l'Espace Européen
Laboratoire de Mathématiques
Institut de Physique du Globe de Paris
Institut de Recherche pour le Développement - Laboratoire Magmas et Volcans

Aide de l'ANR 619 002 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2016 - 48 Mois

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