Apports des techniques photogrammétriques à l'étude du dynamisme des structures volcaniques du piton de la Fournaise

Application of photogrammetry to the geomorphologic mapping and the investigation of the structural dynamics of Piton de la Fournaise volcano, La Réunion

• Auteur / Autrice : Allan Derrien
• Direction : Aline Peltier, Nicolas Villeneuve
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la terre et de l’environnement. Géophysique
• Date : Soutenance le 23/09/2019
• Etablissement(s) : Université Paris Cité
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la terre et de l'environnement et physique de l'univers (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : UMR-Institut de physique du globe de Paris (2005-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Komorowski
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Aline Peltier, Nicolas Villeneuve, Eleonora Rivalta, Andrew Harris
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Benjamin Van Wyk de Vries, Patrick Bachèlery

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éruptions volcaniques

Éruptions volcaniques

Éruption -- Fournaise, Piton de la (Réunion ; volcan ; 2005)

Magmatisme

Roches -- Déformation

Photogrammétrie

Volcanisme

Mots clés libres

Structure

Déformation

Volume

Magma

Résumé

Le traitement numérique des photographies (ou photogrammétrie) permet aujourd’hui de détecter, mesurer et quantifier de nombreux changements à la surface de notre planète. Dans ce travail de thèse, nous avons exploré en détail les apports variés de la photogrammétrie aérienne à la compréhension du dynamisme des structures volcaniques du Piton de la Fournaise, et ce à différentes échelles de temps et d’espace, allant de la journée au siècle, et du cône éruptif à l’édifice volcanique. - À l’échelle de l’édifice : l’ensemble des coulées de la période 1931-2018 a pu être cartographié avec précision ; ainsi 4 nouvelles éruptions ont pu être identifiées et 13 nouvelles coulées cartographiées. Le volume du volcan a augmenté de 1,15 km3 entre 1931 et 2018 (0,42 m3 /s) ; 11,5% de cette augmentation est d’origine endogène. Une expérience en laboratoire a montré un résultat similaire sur 360 injections (13,5%). L’augmentation de volume de l’édifice, asymétrique, s’est accompagnée d’un glissement et d’une compression du flanc est, de l’ordre de 11,5 cm/an (taux moyen entre 1966 et 2012). - À l’échelle du sommet : la morphologie de la zone sommitale entre 1927 et 2019 a pu être retracée, notamment les volumes des effondrements calderiques de 1927-1936, de 1961 et de 2007 ont été estimés à plus de 90 Mm3 , plus de 21 Mm3 et 126,2 Mm3 . Nous montrons que l’effondrement d’avril 2007 s’est déroulé sur une période de 14 à 25 jours, soit un peu plus qu’estimé auparavant. Six secteurs instables de la bordure du Cratère Dolomieu ont par la suite été identifiés, entre 2008 et 2019, constituant un risque potentiel pour les visiteurs de la zone sommitale. - À l’échelle de l’éruption : les 13 éruptions de la période 2015-2018 ont été suivies par photogrammétrie tout au long des éruptions, apportant ainsi des informations de première importance (contours et volume des coulées, ainsi que morphologie des sites éruptifs) à la gestion de crise. La présence d’un cône éruptif, s’il est fermé (i.e. lave s’écoulant en tunnels de lave ou en chenaux très étroits), peut augmenter d’un facteur 10 l’amplitude moyenne du trémor. Cette étude a permis, à travers la grande diversité d’application, la facilité de mise en œuvre et la fiabilité des techniques photogrammétriques, d’améliorer l’observation et la compréhension des volcans actifs. Ces atouts semblent particulièrement importants pour l’étude de volcans isolés.

Recent technical advances have improved our ability to efficiently detect, quantify, and monitor changes of the Earth’s surface, for instance through the application of digital image processing techniques to (aerial) photographs (i.e. photogrammetry). In this thesis, we have explored in detail the various applications of aerial photogrammetry to study the structural dynamics of active volcanoes at a wide range of spatio-temporal scales, ranging from days to centuries and from local studies of eruptive cones to large-scale investigation of entire edifices. This work is focused on Piton de la Fournaise Volcano, La Réunion, but can be applied to study the geomorphologies and structural evolution of active basaltic ocean island volcanoes worldwide. - At edifice scale: we successfully mapped the lava flows of the 1931-2018 in great detail and precision; thus 4 new eruptions could be identified and 13 new lava flows could be mapped. The volcano volume increased by 1.15 km3 between 1931 and 2018 (0.42 m3 /s); 11.5% of this increase is of endogenous origin. A laboratory experiment showed a comparable result on 360 injections (13.5%). The asymmetrical increase of the edifice volume was accompanied by processes of structural adjustment, resulting in an average of 11.5 cm/year of eastward motion and a compression of its unbuttressed eastern flank, over the period between 1966 and 2012. - At the scale of the central cone and summit crater: the morphology of the summit zone could be reconstructed over the period between 1927 and 2019 at unprecedented detail. Three major summit caldera collapses occurred in 1997-1936, 1961, and 2007, and the corresponding collapse volumes were estimated to more than 90 Mm3 , more than 21 Mm3 and 126.2 Mm3 , respectively. We show that the April 2007 collapse occurred over a period of 14 to 25 days, a little more than previously suggested. Furthermore, we identified six unstable sectors along the Cratère Dolomieu rim, which are possible areas of future sector collapse. While potential hazards related to such collapses are localized, this information has important implications given the large number of visitors at the volcano’s summit area. - A the scale of distinct lava flows and eruptive cones: we used aerial photogrammetry to quantify important characteristics of the 13 eruptions that occurred between 2015 and 2018, including the evolution of the lava flow volumes and the extent of the affected area over time, and the morphology of the eruptive cones. Information like this is of prime importance to crisis management efforts. Furthermore, we find that the average amplitude of the tremor can increase by a factor of 10 when the eruptive vent is closed and lavas are forced to flow in tubes or in very narrow channels. The thesis at hand exploits the full range of (aerial) photogrammetry and demonstrates the efficiency and reliability of this modern technique for exploring a variety of geomorphological phenomena at active volcanoes. We suggest that similar results can be achieved at volcanoes worldwide, especially at isolated active ocean island volcanoes.