New physical description of turbulence and implications for explosive volcanic flows

• Auteur / Autrice : Guillaume Carazzo
• Direction : Steve Tait, Édouard Kaminski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Géophysique
• Date : Soutenance en 2007
• Etablissement(s) : Paris 7

Mots clés

Mots clés contrôlés

Panaches volcaniques

Éruptions explosives

Gaz volcaniques

Volcanisme

Résumé

Les gaz et les cendres injectés dans l'atmosphère au cours d'une éruption volcanique explosive représentent une menace pour les populations, les biens et l'environnement. Cette menace est d'autant plus élevée lorsque le jet volcanique s'effondre sur lui-même et génère des écoulements pyroclastiques. L'étude des éruptions Pliniennes du volcan de la Montagne Pelée révèle que les modèles théoriques de prédiction d'effondrement de colonne souffrent d'un décalage avec les données recueillies sur le terrain. Le but de cette thèse est de comprendre quel est l'ingrédient physique qui manque aux modèles pour être en accord avec les données géologiques. Un nouveau modèle d'entraînement de fluide environnant au sein d'un jet turbulent est présenté. Celui-ci permet de remettre en cohérence de nombreuses données expérimentales sur des jets turbulents générés en laboratoire, et son application à la prédiction d'effondrement de colonnes volcaniques est tout à fait satisfaisante. L'effet nouvellement mis en lumière a une forte influence sur le comportement du jet volcanique et a des implications importantes sur les estimations de flux mis en jeu lors d'éruptions explosives. Pour aller plus loin dans l'étude de la dynamique des colonnes explosives, un dispositif expérimental inédit produisant des jets de gaz chaud chargés en particules a été élaboré. Ce dispositif permet de reproduire pour la première fois le régime d'effondrement partiel où le jet volcanique se sépare en une partie dense et une partie plus légère. Ces résultats apportent une meilleure compréhension de la dynamique d'un jet turbulent en général, et améliorent les modèles théoriques actuels de colonnes volcaniques.

Gases and ashes injected in the atmosphere during explosive volcanic eruptions are a threat for people, goods and environment. This threat is much higher when the volcanic jet collapses on itself producing pyroclastic flows. The study of the Plinian eruptions of the Montagne Pelee volcano reveals that the theoretical models of column collapse are shifted with the data collected in the field. The aim of this thesis is to understand what is the physical ingredient missing in current models. A new model of entrainment of surrounding fluid within a turbulent jet is presented. This model allows to reconcile several experimental data on laboratory turbulent jets, and its application to the prediction of volcanic column collapse is quite satisfactory. The newly highlighted effect has a strong influence on the volcanic jet behaviour and has important implications on the estimations of fluxes involved during explosive eruptions. To go further in the study of explosive column dynamics, an experimental device producing hot particle-laden jets has been built. This set up allows to reproduce for the first time the transitional regime in which the volcanic jet separates in a dense part and a lighter part. These results provide a better understanding of turbulent jet dynamics, and improve the current theoretical models of volcanic columns.