Academic literature on the topic 'Volcanologie expérimentale'

Simuler les propriétés des verres et fontes vitreuses est un besoin fondamental pour résoudre différents problèmes scientifiques et industriels, mais aussi pour mieux décrire le phénomène de la transition vitreuse dont la compréhension complète nous échappe. Parmi les méthodes de prédiction des propriétés des matériaux, les simulations par dynamique moléculaire (classique ou ab initio) apportent une masse de connaissances importantes et permettent de mieux comprendre la formation et les propriétés des verres. L’apprentissage machine permet maintenant d’épauler ces simulations et aussi de valoriser de nombreuses mesures expérimentales existantes. Il offre ainsi de nouveaux horizons pour la compréhension et l’utilisation du verre dans de multiples domaines, de l’industrie à la volcanologie.

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 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

Afin de parvenir à une meilleure compréhension des processus d’évolution des magmas réunionnais, nous avons réalisé une étude ayant pour objectifs principaux : (1) la simulation expérimentale du système d’alimentation du Piton de la Fournaise, à partir d’un matériel de départ de composition typique de Steady State Basalt et dans des conditions de pression, température, fO2 et de teneurs en volatils (H2O, CO2) réalistes ; (2) la détermination de la séquence de cristallisation d’échantillons représentatifs des roches plutoniques réunionnaises de façon à les comparer avec les résultats expérimentaux et (3) l’obtention d’une base de données volcanologiques, pétrologiques et géochimiques significative sur le groupe de laves anormales (« Abnormal Group ») permettant de confirmer son existence dans le système d’alimentation du Piton de la Fournaise. La découverte de verres silicatés ayant des compositions caractéristiques de l’Abnormal Group confirme l’implication de ces magmas dans l’activité éruptive. Toutefois, les roches plutoniques n’enregistrent pour la plupart que des séquences de cristallisation témoignant d’une évolution superficielle des magmas. Cette dernière est simulée de façon satisfaisante par les expérimentations réalisées dans la gamme 0.1 à 50 MPa qui conduisent à des modèles pétrologiques et des pressions de stockage en accord avec les données géophysiques. Les expérimentations à plus forte pression démontrent l’existence de paliers au sein du système d’alimentation qui peuvent en grande partie expliquer les diverses compositions réunionnaises, mais posent la question de la composition des magmas parentaux
To better understand magmatic processes associated with the evolution of La Réunion magmas, we have carried out a multi-approach study aimed at (1) simulating experimentally the feeding system of the Piton de la Fournaise volcano, using a Steady State Basalt starting material and P-T-fO2-Volatiles (H2O, CO2) conditions compatible with the natural system; (2) determining crystallization sequences representative of La Réunion plutonic rocks for comparison with the experimental results and (3) constructing a volcanological, petrological and geochemical database for lavas of the Abnormal Group, to confirm the existence of Abnormal melts in the feeding system of the volcano. The discovery of glasses having chemical characteristics similar to the Abnormal Group establishes the implication of Abnormal melts in eruptive processes. However, plutonic rocks record crystallization sequences that for the most part indicate a low pressure magmatic evolution. Experiments in the pressure range 0.1 to 50 MPa satisfactorily reproduce conditions in the shallow magmatic systems and lead to petrological models and magma storage depths in agreement with geophysical data. Experiments at higher pressures demonstrate transitions in magma fractionation mechanisms in the feeding system that can explain the range of erupted compositions, but call into question the compositions of parental magmas

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

Les colonnes pyroclastiques se forment lors d'éruptions volcaniques explosives au cours desquelles un mélange de gaz et de particules est éjecté à grande vitesse depuis un évent et peut conduire à la formation de panaches convectifs. La stabilité de ces colonnes dépend de divers paramètres qui peuvent varier au cours du temps et causer l'effondrement partiel ou total du mélange pyroclastique. Ces effondrements donnent naissance à des fontaines éruptives à l'origine de courants de densité pyroclastiques (CDPs). L'objectif de cette thèse est double : étudier (1) les mécanismes de sédimentation des particules dans le panache et la partie diluée des CDPs et (2) les mécanismes d'émergence des CDPs dans les zones d'impacts des fontaines. La méthode choisie est l'approche expérimentale.Une première série d'expériences consiste à mettre en suspension des particules de taille variant de 49 à 467,5 µm dans un dispositif cylindrique et à mesurer la concentration locale de particules de chaque mélange. Pour cela, deux approches indépendantes ont été utilisées et ont donné des résultats similaires : une méthode acoustique et l'utilisation des capteurs de pression. Ces expériences mettent en lumière deux mécanismes de sédimentation des particules : la sédimentation améliorée et la sédimentation retardée. Dans les suspensions de petites particules (78 µm), la vitesse de sédimentation augmente avec la concentration locale de particules en raison de la formation de « clusters » qui chutent à une vitesse quatre fois supérieure à la vitesse terminale de sédimentation des particules individuelles (sédimentation améliorée). En revanche, dans les suspensions de plus grandes particules (467,5 µm), la vitesse de sédimentation diminue avec l'augmentation de la concentration de particules malgré la présence de « clusters » et elle est 30 % inférieure à la vitesse de chutes des particules individuelles (sédimentation retardée). Ces résultats suggèrent que les mécanismes de sédimentation en présence de « clusters » et se produisant dans les panaches où la partie diluée des courants de densité pyroclastiques devraient être pris en compte dans les modèles utilisés pour simuler ces phénomènes volcaniques afin de mieux prédire les caractéristiques des dépôts.Une seconde série d'expériences consiste à simuler une fontaine pyroclastique en relâchant dans un chenal des particules de tailles comprises entre 29 et 269 µm et à une hauteur de 3,27 m. Les résultats montrent que les mélanges dilués (1,6 - 4,4 vol.%) en chute libre s'accumulent dans la zone d'impact pour former des écoulements granulaires concentrés (~ 45 - 48 vol.%) dont la pression de fluide interstitiel compense presque totalement le poids des particules pour des tailles < 76 µm. De plus, la pression de fluide maximale mesurée à l'impact, la distance de parcours des écoulements et l'étirement horizontal des dépôts augmentent avec la diminution de taille des particules. En considérant le dimensionnement des expériences, ces résultats indiquent qu'une pression de fluide interstitielle élevée dans les courants de densité pyroclastiques concentrés peut être générée dans la zone d'impact des fontaines pyroclastiques en effondrement. La petite taille des particules, qui cause une faible perméabilité et un long temps de diffusion de la pression de pore, peut être l'un des facteurs principaux qui causent les longues distances parcourues par les écoulements
Pyroclastic columns form during explosive volcanic eruptions in which a mixture of gases and particles is ejected at high speed from a vent and can lead to the formation of convective plumes. The stability of these columns depends on various parameters that can vary over time and cause partial or total collapse of the pyroclastic mixture. These collapses give rise to eruptive fountains, forming density currents called pyroclastic density currents (PDCs). The objective of this thesis is twofold: to study (1) the mechanisms of particle sedimentation in the plume and the dilute part of PDCs, and (2) the mechanisms of PDC emergence in the impact zones of the fountains. The chosen method is the experimental approach.A first series of experiments involves suspending particles ranging in size from 49 to 467.5 µm in a cylindrical device and measuring the local particle concentration for each mixture. For this purpose, two independent approaches were used and provided similar results: an acoustic method and the use of pressure sensors. These experiments highlight two mechanisms of particle sedimentation: enhanced sedimentation and delayed sedimentation. In suspensions of small particles (78 µm), the sedimentation rate increases with the local particle concentration due to the formation of « clusters » that fall at a speed four times higher than the terminal settling velocity of individual particles (enhanced sedimentation). However, in suspensions of larger particles (467.5 µm), the sedimentation rate decreases with increasing particle concentration, despite the presence of « clusters » and it is 30 % lower than the settling speed of individual particles (delayed sedimentation). These results suggest that the sedimentation mechanisms in the presence of « clusters » occurring in plumes or the dilute part of PDC should be considered in models used to simulate these volcanic phenomena to better predict deposit characteristics.A second series of experiments simulates a pyroclastic fountain by releasing particles of sizes ranging from 29 and 269 µm into a channel at a height of 3.27 meters. The results show that dilute mixtures (1.6 - 4.4 vol.%) in free fall accumulate in the impact zone to form concentrated granular flows (~ 45 - 48 vol.%) whose interstitial fluid pressure nearly compensates for the weight of particles for sizes < 76 µm. Furthermore, the maximum fluid pressure measured at the impact, the flow travel distance, and the horizontal stretching of deposits increase with decreasing particle size. Considering the experiment dimensions, these results indicate that a high interstitial fluid pressure can be generated in the impact zone of collapsing pyroclastic fountains. The small particle size, causing low permeability and a long pressure diffusion time, may be one of the main factors leading to the long runout distances covered by the flows

L'activité des volcans andésitiques au niveau des arcs insulaires est caractérisée par une grande diversité dans leur style éruptif. Le dynamisme d'un même édifice volcanique peut aussi bien s'exprimer par une alternance d'éruptions de type "plinien" ou bien de type "peléen". Le sujet comporte deux aspects liés au fonctionnement local de la Soufrière de Guadeloupe et de la Montagne Pelée : l'étude de la dynamique d'une chambre magmatique superficielle et l'étude des phénomènes liés au dégazage des produits lors de la remontée dans le conduit volcanique.
Le premier aspect repose sur l'étude d'une éruption particulière de la Soufrière de Guadeloupe (1440 AD). La stratégie d'étude a été de coupler une étude pétrographique des produits émis avec une étude expérimentale. Cette approche nous a permis de contraindre avec précision les conditions pré-éruptives ainsi que la dynamique de la chambre magmatique qui s'est avérée être zonée thermiquement et chimiquement.
Le second aspect a consisté en l'acquisition des données naturelles et expérimentales sur les produits des éruptions historiques de la Montagne Pelée afin d'apporter des éléments nouveaux pour la compréhension du dynamisme des magmas andésitiques dégazés. La nature des produits a nécessité de coupler différentes approches (étude texturale des produits naturels, teneur en eau des verres résiduels, anisotropie de susceptibilité magnétiques sur les produits de dômes, expériences de décompressions contrôlées et acquisition de données expérimentales à basse pression).