Origine et dynamique des avalanches des débris volcaniques : analyse des structures de surface au volcan Tutupaca (Pérou)

Origin and dynamics of volcanic debris avalanches : surface structure analysis of Tutupaca volcano (Peru)

• Auteur / Autrice : Patricio Valderrama Murillo
• Direction : Olivier Roche
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Volcanologie
• Date : Soutenance le 30/09/2016
• Etablissement(s) : Clermont-Ferrand 2
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences fondamentales (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Magmas et Volcans - (LMV) Laboratoire Magmas et volcans
• Jury : Président / Présidente : Georges Boudon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Olivier Roche, Benjamin Van Wyk de Vries, Pablo Samaniego Eguiguren, Irena Manzella
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Georges Boudon, Lucia Capra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Glissements de terrain

Avalanches de débris

Mots clés libres

Avalanche des débris

Glissements de terrain

Digitation granulaire

Modelés analogiques

Tutupaca

Debris avalanches

Volcanic Landslides

Granular fingering

Analog experiments

Tutupaca

Résumé

Les glissements de terrain se produisent dans toutes les chaînes de montagnes où la résistance de massifs rocheux est insuffisante pour contrer l’action de la gravité. Les terrains volcaniques sont particulièrement susceptibles de s’effondrer car les édifices sont composés des lithologies diverses et variées qui peuvent être fortement fracturées. En plus, la croissance rapide des édifices volcaniques favorise leur instabilité et leur effondrement. L’activité magmatique est un facteur additionnel responsable de la déformation des édifices, tandis que l’activité hydrothermale réduit la résistance des roches volcaniques. Pour ces raisons, l’évaluation des aléas liés à l’effondrement des édifices et à la formation des avalanches des débris volcaniques mérite une attention particulière. Les caractéristiques physiques des composants des avalanches des débris ont une influence directe sur la dynamique de ce type d'écoulement. Les dépôts des avalanches de débris présentent une morphologie de surface composée des nombreuses collines (hummocks), qui montrent fréquemment les séquences volcaniques initiales, ce qui suggère un mécanisme de mise en place proche de celui des glissements de terrain. Cependant, d’autres dépôts présentent des crêtes allongées (rides) dont le mécanisme de formation est encore méconnu. Le volcan Tutucapa (sud du Pérou) a été affecté récemment par deux avalanches de débris. La plus ancienne, « Azufre », est d’âge Holocène et résulte de l’effondrement d’un complexe des dômes et d’une séquence volcanique altérée (hydrothermalisée) sous-jacente. La deuxième avalanche, « Paipatja », a eu lieu il y a seulement 200-230 ans BP et est associée à une grande éruption explosive du Tutupaca. Les dépôts de cette avalanche présentent notamment de nombreuses rides. Les deux dépôts d’avalanche montrent deux unités différentes : une unité inférieure, caractérisée par la présence des blocs altérés (hydrothermalisés) provenant de l’édifice basal, tandis que l’unité supérieure est constituée par des blocs du complexe de dômes actifs. Le travail de terrain montre que les rides de l’avalanche « Paipatja » présentent une forte variation de granulométrie entre leur partie centrale (enrichie en blocs grossiers) et leurs parties latérales, ce qui suggère un processus de ségrégation granulaire. Des expériences analogiques montrent que des écoulements de mélanges de particules des différentes tailles subissent un processus de ségrégation et de digitation granulaire qui engendre des rides par jonction de levées statiques qui délimitent un chenal d’écoulement. Le processus de formation des rides est facilité par de faibles différence de taille des particules dans des mélanges bidisperses. Ces résultats suggèrent que les rides observées au Tutupaca résultent d’un écoulement granulaire. Les principales caractéristiques morphologiques des structures formées lors de ces expériences de laboratoire ont été comparées qualitativement avec les structures observées dans les dépôts du Tutupaca. Les structures observées au Tutupaca montrent que deux mécanismes de mise en place peuvent coexister dans les avalanches de débris volcaniques : le glissement de blocs plus ou moins cohérents, et l’écoulement semblable à celui d’un matériau granulaire. Cela dépend probablement de la nature des différents matériaux à la source des avalanches. Cette information doit être prise en compte pour l’évaluation des aléas liés aux avalanches des débris car des mécanismes d’écoulement différents peuvent induire des fortes variations de la distance parcourue par ces avalanches.

Landslides occur in all mountainous terrain, where the rock strength is unable to support topographic loading. Volcanic rocks are particularly landslide prone, as they mix strong and weak lithologies and are highly pre-fractured. Also, volcanoes themselves, are peculiar mountains, as they grow, thus creating their own topographic instability. Magmatic activity also deforms the edifice, and hydrothermal activity reduces strength. For all these reasons, volcanoes need close consideration for hazards, especially for the landslide-derived rock avalanches. The characteristics and properties of different debris avalanche components influence their behavior during motion. Deposits are generally hummocky, preserving original layering, which indicates a slide-type emplacement. However, some deposits have ridged morphology for which the formation mechanisms are not well understood. Two recent debris avalanches occurred at the Tutupaca volcano (S Peru). The first one, “Azufre” is Holocene and involved the collapse of active domes and underlying older hydrothermally altered rocks. The second debris avalanche, “Paipatja” occurred 200-230 y BP and is associated with a large explosive event and this deposit is ridged. The excellent conservation state of the deposits and surface structures allows a comprehensive analysis of the ridges. Both deposits have two contrasting units: a lower basal edifice-derived hydrothermally-rich subunit and an upper dome-derived block-rich unit. Detailed fieldwork has shown that Paipatja ridges have coarser core material and are finer in troughs, suggesting grain size segregation. Using analog experiments, the process that allow ridge formation are explored. We find that the mixtures undergo granular segregation and differential flow that create fingering that forms ridges by junction of static léeves defining a channel flow. Granular segregation and fingering are favored by small particle size contrast during bi-dispersed flow. The results suggest that the ridges observed at Tutupaca are product of a granular flow We extract the morphological characteristics of the deposits of granular flows generated in the laboratory and make a qualitative comparison with the Tutupaca deposits. The description of the different landslide and debris avalanche features at Tutupaca shows that two types of debris avalanche motion can occur in volcanic debris avalanches: the sliding of blocks more or less coherent and a flow similar to a granular material. This probably depends on source materials and the conditions of different parts of the initial landslide. Such information should be taken into account when estimating hazards at other volcanic landslide sites, as the different behaviors may result in different run outs.